wimic agh

Większość współczesnych materiałów ceramicznych wytwarza się wykorzystując proszki syntetycznie otrzymywanych stałych związków, takich jak tlenki, azotki, węgliki, borki itp. Związki te są wysokogniotrwałe i stąd dla syntezy ich proszków konieczne są najczęściej procesy przebiegające z mierzalną szybkością dopiero w wysokiej temperaturze, rzędu 1000-2000oC.

 

Jeśli syntezę prowadzi się w sposób konwencjonalny, np. przez podgrzanie w piecu mieszaniny stałych reagentów, to występują duże straty ciepła do otoczenia i dla utrzymania wysokiej temperatury i podtrzymania biegu reakcji trzeba stale doprowadzać ciepło z zewnętrznych źródeł energii. Procesy konwencjonalnej syntezy są więc bardzo energochłonne a także wielogodzinne. W latach siedemdziesiątych zrodziła się w Rosji, a następnie rozwijana była i jest nadal głównie w Rosji, USA, Japonii, Francji i na naszym Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH nowa metoda, która spowodowała przełom w zakresie zmniejszenia zużycia energii i skrócenia czasu syntezy proszków wysokogniotrwałych związków ceramicznych i międzymetalicznych. W metodzie tej syntezę realizuje się prawie wyłącznie kosztem ciepła wydzielanego w toku samej reakcji stałych (i gazowych) reagentów dzięki temu, że reakcje zachodzą tu w warunkach prawie adiabatycznych. Wiele reakcji syntezy substancji krystalicznych w układach: ciało stałe - ciało stałe i ciało stałe - gaz jest egzotermicznych, stąd zakres możliwego wykorzystania tej metody jest szeroki i dotąd zrealizowano tą drogą syntezę ponad 700 związków. Obok małego zużycia energii z zewnętrznych źródeł metodę tę charakteryzuje także na ogół błyskawiczny przebieg reakcji syntezy, która wymaga czasu rzędu sekund czy kilkunastu minut a nie godzin, jak w konwencjonalnych metodach syntezy. Metoda ta nazywana jest też samorozwijającą się syntezą wysokotemperaturową albo metodą spalania w fazie stałej. Jej podstawowe cechy ilustruje rysunek na końcu strony.

Chociaż ciepła potrzebnego dla wytworzenia wysokiej temperatury dostarczają tu egzotermiczne reakcje syntezy, to trzeba je zainicjować, podnosząc lokalnie temperaturę (np. za pomocą grzejnika jak na rysunku) do takiego poziomu, aby w tym miejscu szybkość reakcji i wydzielane przez nią lokalnie ciepło q2- były znaczące. Dalej, istotne jest, aby strumień strat ciepła do otoczenia był tu mniejszy od strumienia ciepła wydzielanego w reakcji, q4 > q3. W takich warunkach kształtuje się miejscowo dodatnie sprzężenie zwrotne powodujące lawinowy wzrost temperatury. Mianowicie, akumulacja ciepła zwiększa szybkość reakcji a to, z kolei, powoduje uintensywnienie wydzielania ciepła. Ten wzrost ilości ciepła w układzie wywołuje dalszy wzrost temperatury i szybkości reakcji aż do przereagowania reagentów. Ważne jest dalej aby ta tworząca się lokalnie fala cieplna przemieszczała się dalej w złożu reagentów, inaczej mówiąc aby wystąpiło także ujemne sprzężenie zwrotne przejawiające się przenoszeniem ciepła reakcji prawie w całości z jednej warstwy złoża ziaren reagentów do kolejnej. Zewnętrznym przejawem tego ujemnego sprzężenia zwrotnego jest przemieszczanie się w złożu stałych reagentów gorącej strefy (w której zachodzi gros reakcji) z liniową prędkością 0,0006 m/s do 0,25 m/s. Przy tych prędkościach możliwe jest zachowanie prawie adiabatycznych warunków w toku całej syntezy. Omówione poprzednio warunki można zrealizować w praktyce przez odpowiedni dobór wielkości ziaren reagentów oraz przewodności cieplnej porowatego złoża tych ziaren. 

Prof. dr hab. inż. Roman Pampuch