自蔓延高温合成（Self-propagation High temperature Synthesis，缩写SHS），是上世纪80年代迅速兴起的一门材料制备技术。在1967年时，前苏联科学家Merzhanov首先提出该方法，并在1975年与E.J.Juganson等人用SHS离心法研制出了氧化铝陶瓷内衬复合钢管，且先后申请了美国、英国、加拿大专利。

SHS技术发展到今天，在金属间化合物、陶瓷、复合材料合成等领域的应用已越来越广泛。今天就主要来讲讲，它在先进陶瓷领域的应用形式及发展状况。

SHS技术原理

SHS法是基于放热化学反应的原理，利用外部能量诱发局部发生化学反应，形成化学反应前沿（燃烧波），此后，化学反应在自身放出热量的支持下继续进行，随着燃烧波的推进，燃烧蔓延至整个体系，合成所需材料。

该法最大的特征，在于反应一经开始，反应过程通过反应体系自身释放的高热量实现反应的自持。而且设备、工艺简单，反应迅速，产品纯度高，能耗低。适用于合成非化学计量比的化合物、中间产物及亚稳定相等。

SHS烧结反应过程示意图

加热形式的区别：

根据加热方式的不同，燃烧合成又可以分为自蔓延燃烧合成和热爆燃烧合成。在热爆加热模式下，反应物整体被置于加热容器中以一定的升温速率加热，当反应物被加热至点火温度时，燃烧反应在整个反应物中同时发生，并在瞬间完成（<0.5s），即发生热爆反应｡自蔓延加热模式是利用加热线圈、高温火焰或激光等对反应物的一端进行局部加热，点火后燃烧反应向另一端自行蔓延｡

由于热爆反应条件下，反应物在点火前的升温速率远远低于自蔓延反应，因此对于同一反应体系，在不同反应模式下，反应机理存在明显的差别。

SHS技术在陶瓷领域中的应用

目前SHS在先进陶瓷领域已经得到了广泛应用

①先进陶瓷合成

由于SHS不需要额外施加能量，工艺简单，高的反应速率可以高效合成大批量产物，且上千度燃烧温度可以使杂质挥发，产物纯度高，这一系列优势，使得SHS技术在制备碳化物、硼化物、硅化物和氮化物等先进陶瓷或以陶瓷颗粒为增强体的金属陶瓷复合材料方面得到了广泛的应用，在保证材料高性能的同时大大降低了成本

氮化硅粉体

在我国，早在2002年就已实现了自蔓延氮化铝、氮化硅粉体的产业化生产。自蔓延法制备先进陶瓷粉体的最大优势在于成本低，其高性价比在下游市场有显著优势，对于应用技术有着深入研究的陶瓷基板企业也是降低生产成本的一大利器。研究成果显示，用自蔓延法生产氮化硅粉通常含α相和β相，而低温烧结的α和β相所组成的氮化硅复相陶瓷材料，其强度居然可以达到1600MPa左右，这意味着自蔓延氮化硅粉体用于制备复相陶瓷潜力巨大。

②管道陶瓷内衬

由于腐蚀、磨损、机械破坏等原因，每年金属油管的报废量都相当巨大，带来巨大的损失。而为了强化金属油管的防腐、耐磨及机械性能，业内会使用SHS技术制备油气管道内表面陶瓷涂层，提高防腐蚀性能。

目前在该领域，主要利用铝热反应（Al+XO→Al₂O₃+X）产生的高温高热实现陶瓷层的成型。考虑到原料成本、生成物与管道组织的相容性能问题，目前主要关注点集中在选用Al+Fe₂O₃反应体系并配以离心工艺制备Al₂O₃陶瓷涂层上。Al+Fe₂O₃体系反应绝热温度可以达到3135K，远超过产物Fe和Al₂O₃的熔点（分别为1811K和2323K），两种熔融态产物因密度差异，在离心力的作用下分离，最终在管内形成由Fe过渡层连接的氧化铝陶瓷内衬层，提高石油管道的使用寿命。

③多种材料焊接

作为无机非金属的陶瓷材料与金属之间在熔点、弹性模量、热膨胀系数等属性上存在巨大差异，为解决焊接界面残余应力大的问题，就需要在焊接接头中形成中间过渡层。其中，SHS作为一种高效、无污染的新工艺技术，目前已经广泛地应用于连接领域。

通过自蔓延反应放出的热量作为热源，实现陶瓷和金属材料之间的焊接。自蔓延反应时间短，可以实现局部快速放热，使焊接过程在短时间内完成，且母材热影响区较小，损害小；利用反应的高热量去除低熔点杂质，能提高焊接接头的纯度；通过调节反应原料成分，实现陶瓷与金属接头间的梯度变化，减少残余应力，提高接头的性能，目前已成功地用于钼和钨、钼和石墨、钨和石墨、钛和不锈钢、石墨和石墨的工程化焊接中。

结语

SHS 技术与传统技术相结合的新工艺为材料的研究制备开拓了一条新的技术途径。但随着 SHS 技术研究与应用的深入，也逐渐暴露出一些不足，主要表现为燃烧过程难以控制，导致最终成品的质量又是不尽如人意。因此业界目前仍在对SHS基础理论进行深入研究，以对SHS工艺的工艺参数进行优化，生产出低成本、高致密、优性能和规模化的 SHS 产品。

资料来源：

赵慧林,刘淑娟,巩雪,等. 自蔓延高温合成在特种陶瓷领域的应用分析[J]. 居业,2022(1):253-255. DOI:10.3969/j.issn.2095-4085.2022.01.086.

李卓然,冯吉才,曹健. 自蔓延高温合成连接技术研究进展[J]. 宇航材料工艺,2004,34(3):1-4,17. DOI:10.3969/j.issn.1007-2330.2004.03.001.

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