[01518879]自蔓延高温合成新技术及应用

该项目完成单位在自蔓延高温合成技术应用上已进行多年开发研究,主要是在陶瓷复合钢管、高温抗氧化涂层、钛镍多孔合金以及核废物的处理方面进行独立创新研究。自蔓延高温合成（SHS）也称为燃烧合成，是利用化学反应自身放热来制备材料的新技术，具有能耗低、工艺及设备简单，产品纯度高等特点。且SHS技术与传统技术结合形成SHS制粉、SHS烧结、SHS加压致密化、SHS冶金、SHS焊接和SHS涂层等新方向。其应用范围涉及工业及军用等诸多领域。项目主要涉及以下方面：SHS制备陶瓷复合钢管方面：利用高放热的铝热反应体系，在离心力或重力作用下使熔融反应产物中比重不同的相分离，使比重小的陶瓷相凝固在钢管表面形成陶瓷衬层。其钢管具有耐磨、耐蚀、抗热冲击和抗机械冲击等综合性能，可广泛应用于化工、电力、石油、炼铝和冶金等行业。SHS制粉方面：采用SHS技术制备硅化物和硼化物粉末，应用于耐高温的防氧化涂层，例如自控发动机防护涂层，可明显提高发动机的性能。首先热力学计算各反应体系的反应条件，对于高放热体系可以直接点燃合成，对于弱放热体系，引入Ti-C高放热体系快速加热点燃合成。通过控制原料状态、以及合成后的冷却过程，获得均一物相高纯度的所需硅化物和硼化物粉。SHS制备钛镍多孔合金：多孔钛镍合金强度高、密度低、耐腐蚀性强，弹性模量与人骨弹性模量接近，生物相容性好，生物界面结合牢固，能被组织固定，是理想的生物医学植入材料，在临床各科和医疗器械等方面具有广泛的应用前景。采用注射成形或注凝成形可以成形复杂的骨骼形状，脱脂预烧后，再预热点火燃烧合成多孔钛镍多孔合金，其孔隙度高、孔隙大小及分布均匀、连通性好。SHS处理放射性核废料方面：放射性废料制约核能的和平开发利用。采用SHS直接固化放射性废物的固化效率高、工艺及设备简单，且可有效避免核废物二次污染，易实现规模生产，具有明显优势。加入 CrO_3使反应自身放热所产生的瞬间高温融化放射性核废物，将放射性元素固定于作为固结体的CaTiO_3、SrTiO_3陶瓷材料的晶体结构中，与CaTiO_3、SrTiO_3形成均匀的固溶体，从而达到封闭、隔离放射性废物的目的。其反应原理如下：2CrO_3 ＋ 3Ti ＋ 4CaO ＋ TiO_2 ＝ 4CaTiO_3 ＋ 2Cr ＋ Q。对于某些特定的高放废物如Sr^(2+)，采用SrO代替CaO直接参与合成反应生成钛酸锶（SrTiO_3）提高固化量，其反应原理如下：2CrO_3 ＋ 3Ti ＋ 4SrO ＋ TiO_2 ＝ 4SrTiO_3 ＋ 2Cr ＋ Q。性能指标：a、陶瓷复合钢管：陶瓷硬度(Hv)：1100～1300；压溃强度：300～350 MPa；　压剪强度：15～20 MPa；陶瓷密度：3.8～3.9 g/cm^3；耐蚀(10%HCl，20℃)：0.05～0.1 g/m^2?h。　b、涂层粉末：粉末氧含量／% 氢含量／% 粒度；ZrSi_2 0.29 0.140 －300＋400目；WSi_2 0.40 0.0046 －300＋400目；TiSi_2 0.42 0.0038 －300＋400目；HfSi_2 0.30 0.150 －300＋400目；ZrB_2 0.70 0.0120 －300＋400目；TiB_2 0.50 0.0032 －300＋400目；WB_2 0.46 0.0110 －300＋400目；HfB_2 0.62 0.0027 －300＋400目。c、钛镍多孔合金：孔隙度44.2～72.1%；开孔孔隙度为39.3～70.7%；孔隙尺寸50～400μm；抗压强度31.0～231.2MPa；杨氏模量4～9GPa。d、放射性核废物：钛酸钙（CaTiO_3）固化体：密度＞4.2g/cm^3 ；显气孔率＜0.2%；维氏硬度＞900；最大包容量36w%；在90℃、7天，浸出剂为去离子水条件下，不同配比的CaTiO_3固化体浸出率皆小于0.1×10^(－1)g/m^2?d（沸水中浸煮的浸出率）；钛酸锶（SrTiO_3）固化体：密度＞5.0g/cm^3 ；显气孔率＜2%；维氏硬度＞950；在浸出剂为去离子水、温度为90℃条件下，分别在7天、14天、28天不同时间周期的浸出率皆小于0.1×10^(－1)g/m^2?d。成果的创造性或先进性体现在以下方面：在陶瓷复合钢管方面，通过成功开发离心法生产大口径复合管（直径达到800mm以上）以及重力法一次合成整体弯管（直径达到300mm以上）的合成技术和装备，而且实现了工业化应用。在涂层方面，用Ti-C高放热体系快速加热和点燃弱放热体获得所需物相方面具有新颖性。一项发明专利已获得授权（一种二硅化钨粉末的制备方法，专利号：200410039513.X，授权日：2005年11月23日）。在钛镍多孔合金制备上, 采用注射成形或注凝成形与自蔓延高温合成技术相结合的方法，制备形状复杂的钛镍多孔合金产品，能够控制孔隙大小及分布、形态等，性能达到与自然骨匹配。获得相应国家专利。在核废物处理上, 采用CrO_3作为氧化剂合成制备钙钛矿；将SrO核废物直接作为SHS体系中的反应物，采用二次SHS固化法处理放射性焚烧灰，固化过程中第二次SHS反应固结技术替代了热压或热等静压烧结过程等方面具有创新性。