电磁场辅助快速燃烧合成材料的装置与方法 【技术领域】
本发明涉及一种电磁场辅助燃烧合成材料的装置和方法，属于制备金属间化合物及无机非金属材料的装置和方法领域。
背景技术
随着半导体技术、航天技术的等高精尖科学的发展，对材料在满足使用性能的基础上提出了轻量和微型化要求，例如热缓冲梯度材料，在不到几毫米的厚度上需要承受从近2000K过渡到室温的温度剧变的冲击。同时，随着功能材料不断向复合化和集成化的方向发展，需要大量制备各种具有非平衡态化学组成和特殊微观结构材料，而传统材料制备工艺已经难以满足要求。
自1967年Merzhanov等发现“固体火焰”(US Patent，No.3726643)并由此发展起来自蔓延高温燃烧合成技术(简称SHS)以来，由于SHS具有耗能少、效率高、产物纯净和工艺相对简单等优点，因而受到了各国科研人员的高度关注，使得SHS合成技术得到了迅猛的发展。利用该技术合成的碳化物、硼化物、硅化物、氮化物、金属间化合物等化合物，数量超过500种，其中许多在工业上得到了应用。但是，由于SHS反应是利用反应体系自身放出的热量来维持反应进行的，因此无法应用于低放热的反应体系，限制了SHS方法的推广应用。如专利ZL 932168.7虽然能够完成低放热体系的自蔓延高温合成反应，但仅适用于某些相对较低的放热体系，对于大多数低放热体系仍无法使用；其秒表法计时亦过于简单与粗糙以，操作上存在不可避免的人为误差等缺陷。另外，常规的SHS设备也无法满足一些特殊成分和结构材料的合成要求。
SHS与电磁场活化、微波预热、快速成像和数据计算处理等技术的结合是SHS技术发展的一个新方向。这不仅可以大大提高自蔓延高温燃烧合成技术的实用性，而且还可以拓宽该技术地应用领域。
【发明内容】
本发明将自蔓延合成设备与电磁场活化和快速成像技术结合起来，提出了一种电磁场辅助燃烧合成材料的装置及方法。具体地说本发明(1)利用电磁场降低反应体系的化学能势垒，活化反应体系，以实现低放热体系材料的合成；(2)利用电磁场的作用抑制反应过程中的重力效应，影响合成过程反应模式、热损失及合成反应的质量传递和毛细管流动等过程，从而实现对所合成材料最终形貌和粒度的控制，来合成常规制备方法难以合成的材料；(3)利用电磁场提供的能量延长后燃烧阶段的温度，从而提高体系的转化程度；(4)通过对合成反应前端进行淬冷，使中间反应产物得以保留，并结合快速摄影成像系统和时间、温度记录系统等，可以模拟和解析反应模式和反应过程、研究反应机理，并计算反应活化能和扩散活化能等多项理化参数。
1.实现上述目的的一种电磁场辅助燃烧合成材料装置，它主要由真空系统、反应引发系统、电磁场发生装置、实时测温系统、温度曲线和反应时间记录系统、快速摄影成像系统、液氮冷淬装置、循环水冷系统、计算机数据处理系统等装置组成。其特征在于：
(1)位于真空室(6)的反应引发系统(1)、电磁场发生系统(2)、温度时间记录系统(3)依次相连；载物平台(9)位于反应引发系统下端；
(2)真空室(10)下部与真空/气氛系统、循环冷却水系统(5)以及液氮冷淬系统相接；
(3)快速摄影成像系统(8)位于真空室的另一区。
(4)计算机数据处理系统与电磁场发生系(2)和时间记录系统(3)与总控制台相连，计算机数据处理处理系统与控制台相连。
上述燃烧合成装置利用①电磁场发生装置产生电磁场，使反应体系处于电磁场的作用之下，原料体系在电磁场的激活下，降低了反应引发温度，并有可能改变反应的微观过程；②摄影成像系统实时记录反应体系的燃烧模式，温度曲线和时间记录系统记录反应体系的各项参数，并由计算机数据处理系统得到燃烧过程的反应活化能和扩散活化能等多项理化参数；③循环水冷系统使反应室始终处于较低温度，而不受高发热体系所产生的高温、超高温的影响；④在快速摄影成像系统关闭的情况下，可以实现高压燃烧合成，合成具有特殊结构和形貌的材料等。
一种使用电磁场辅助燃烧燃烧合成材料装置的制备方法：
(a)通过调节载物平台的高度，使反应体系的原坯处于合适的位置，完成测温热电偶和待测温位置的对接；
(b)启动循环水冷系统和真空/气氛系统，使反应室处于要求的环境；然后开启电磁场发生装置和反应引发装置完成反应体系的活化、引发，反应体系开始进行自身的燃烧反应。
(c)当反应进行到设定位置(上部热电偶)，温度曲线和时间记录系统在体系反应热的冲击下启动，并实时记录相对应的温度、时刻以及时间(下部热电偶)。快速摄影成像系统则显现/存储相应反应过程、状态以及反应模式等。
(d)温度、时间、状态及形貌等参数，经数/模转化和传输，可以进行有关计算机处理和模拟，以及解析反应模式等。
(e)如果需要对合成反应前端进行冷淬和保留中间产物，则可以在(c)步骤中的某个相应时刻开启液氮冷淬系统，完成反应体系的淬熄。
在上述制备方法中，本发明利用
(1)温度记录仪分别显示、记录第一和第二测温点在燃烧合成反应中的温度变化及其曲线；时间记录仪记录反应体系两测温点之间的燃烧合成时间，如必要，还可以实现多点测温。
(2)通过快速摄影成像系统可以实时观察和记录燃烧合成全过程；
(3)通过计算机处理系统，可以模拟和解析反应模式和反应过程、研究反应机理，并计算反应活化能和扩散活化能等多项理化参数。与现有合成方法相比，本发明具有以下优点：
1.在电磁场的作用下使反应体系活化，可以实现常规SHS方法由于受到热力学和/或动力学条件限制而无法完成的低放热体系的燃烧合成反应(详见实施例)；
2.通过电磁场影响合成过程中的的重力效应，影响合成过程反应模式、热损失及合成反应的质量传递和毛细管流动等过程，从而实现对所合成材料最终形貌和粒度的控制，来合成常规制备方法难以合成的材料，并实现对合成材料最终形貌和粒度的控制；
3.真空/气氛系统可以改变反应体系的环境压力，并实现对气态反应物流量等的控制；
4.液氮冷淬系统对合成反应前端进行冷淬，使中间反应产物得以保留，并结合快速摄影成像系统和时间、温度记录系统等，可以模拟和解析反应模式和反应过程、研究反应机理，并计算反应活化能和扩散活化能等多项理化参数；
5.循环水冷系统使反应室始终处于较低温度，而不受高放热体系所产生的高温、以及超高温对设备的热冲击影响，并缩短合成反应的周期。
【附图说明】
图1是本发明的结构原理示意图。图中：
1.反应引发系统；2.电磁场发生系统；3.温度曲线和反应时间记录系统；4.计算机数据处理系统；5.循环水冷系统；6.真空/气氛系统；7.液氮冷淬系统；8.快速摄影成像系统；9.载物平台；10.反应室；11.反应体系 12总控制台
【具体实施方式】
下面接合附图详细说明本发明的工作原理和实施程序：
(1)工作原理
通过点火系统向反应体系提供初始的能量，对于有特殊要求或低放热反应体系，则采用电磁场活化和预热等辅助手段，使体系获得开始反应所需的能量要求并发生反应。由于体系反应时自身放热，使得反应一旦开始便可以自行维持，实现材料的合成。
通过本装置的液氮冷淬辅助系统可以改变反应体系的环境，因而可以控制反应产物的相序、组分及均一性。快速摄影成像系统、计算机数据读取和处理系统及监测控制系统使得对反应过程的参数的控制，以及进行相关的深入研究成为可能
(2)实施程序
首先，将原料粉体按要求的比例均匀混合，并采用常规的工艺方法压制成反应体系11的原坯，置于反应室10内的可调载物平台9上，通过调整载物平台高度使其处于合适的位置(完成测温热电偶对接等)。随后打开设备主电源和启动循环水冷系统，开始对设备进行循环水冷。然后，启动真空/气氛系统6，使反应体系处于所要求的环境和压力下。根据反应体系的热力学特点和对目标产物组分、结构的要求，确定是否启动电磁场发生系统2。做好这些准备工作之后，打开温度曲线和反应时间记录系统3和快速摄影成像系统8，然后启动反应引发系统1，反应体系开始发生燃烧合成反应。当反应进行到设定位置(上部热电偶)，温度曲线和时间记录系统在体系反应热的冲击下启动，并实时记录相对应的温度、时刻以及时间(下部热电偶)。快速摄影成像系统则显现/存储相应反应过程、状态以及反应模式等各项参数。如果需要对燃烧合成反应体系的前端进行冷淬以及保留中间反应产物，可以在适当的时候启动液氮冷淬系统7，使整个发应体系在瞬间淬熄。最后，计算机处理系统4可以通过有限元的方法，模拟和解析反应模式和反应过程、研究反应机理，并可计算反应活化能和扩散活化能等多项理化参数。
(3)利用本发明提供的合成装置制备材料的具体实施例
合成常规SHS无法合成的材料，如ZrSi2，TiB2，Ba4C等材料，用电磁场辅助燃烧能够较为容易燃烧合成。
理论上，只有绝热燃烧温度大于1800K的放热反应才能发生自燃烧合成反应，而上述几种材料的绝热燃烧温度分别只有Tad： ZrSi2＝1790K、Tad：TiB2＝1400K、Tad：Ba4C＝1000K，显然无法进行简单的燃烧合成；但是通过施加电磁场，突破了上述缺陷，可以较为容易地合成上述材料。
试验表明，简单燃烧合成TiC时，由于其特殊的结构和形貌，化学计量的TiC只占整个反应物的8％左右，但是，通过施加电磁场，并且电磁场槽路电压(决定电磁场强度)从0变化到8kV，其化合碳的质量百分数从8.0％左右提高到15.0％左右，提高合成转化率达90％。
此外，针对合成WSi2等低放热难合成材料，电磁场的作用降低发应体系的化学能势垒，实现此类低放热体系材料的合成。