Kendi kendine yayılan yüksek sıcaklık sentezi - Self-propagating high-temperature synthesis

Kendi kendine yayılan yüksek sıcaklık sentezi (SHS) her ikisini de üretmek için bir yöntemdir. inorganik ve organik ekzotermik bileşikler yanma farklı yapıdaki katılarda reaksiyonlar.[1] Reaksiyonlar, bir gaz, sıvı veya başka bir katı ile birleştirilmiş katı bir reaktan arasında meydana gelebilir. Reaktanlar, ara ürünler ve ürünlerin tümü katı ise, katı alev olarak bilinir.[2]. Reaksiyon katı bir reaktan ile bir gaz fazı reaktanı arasında meydana gelirse, buna infiltrasyon yanması denir. İşlem yüksek sıcaklıklarda gerçekleştiğinden, yöntem tozlar, metalik alaşımlar veya seramikler dahil olmak üzere ateşe dayanıklı malzemelerin üretimi için ideal olarak uygundur.

Modern SHS süreci 1971'de rapor edildi ve patentlendi,[3][4] bazı SHS benzeri süreçler önceden bilinmesine rağmen.

Avantajlar ve dezavantajlar

Kendi kendine yayılan yüksek sıcaklık sentezi, çok az toksik çözücü kullanan, enerji açısından oldukça verimli olan yeşil bir sentez tekniğidir. SHS'nin geleneksel çözüm aşaması işleme tekniklerinden daha az çevresel etkiye sahip olduğunu göstermek için çevresel analizler yapılmıştır. [5]. Teknik, malzemelerin üretimi için daha az enerji kullanır ve sentez parti boyutları arttıkça enerji maliyeti tasarrufu artar.

SHS, nanopartiküllerin üretimi için uygun bir teknik değildir. Tipik olarak, işlemin yüksek sıcaklık doğası, reaksiyon sırasında ve sonrasında partikül sinterlenmesine yol açar. Sentez sırasında oluşan yüksek sıcaklıklar aynı zamanda enerji dağılımı ve uygun reaksiyon kapları ile ilgili sorunlara da yol açar, ancak bazı sistemler bu fazla ısıyı diğer tesis işlemlerini yürütmek için kullanır.

Metodoloji

Her zamanki formatında SHS, iyice karıştırılmış ince toz haline getirilmiş reaktanlardan başlayarak yürütülür. Bazı durumlarda, reaktifler ince toz haline getirilirken, diğer durumlarda bunlar sinterlenmiş yüzey alanlarını en aza indirmek ve tehlikeli olabilecek başlatılmamış ekzotermik reaksiyonları önlemek.[6] Diğer durumlarda, parçacıklar mekanik olarak etkinleştirildi yüksek enerji gibi tekniklerle bilyeli frezeleme (örneğin bir planet değirmende), nanokompozit ayrı kimyasal hücreler içinde her iki reaktantı içeren parçacıklar.[7][8] Reaktant hazırlandıktan sonra, numunenin küçük bir kısmının (genellikle üst kısmı) noktasal ısıtılmasıyla sentez başlatılır. Bir kez başladığında, bir ekzotermik reaksiyon dalgası kalan malzemeyi süpürür. SHS ayrıca ince filmler, sıvılar, gazlar, toz-sıvı sistemleri, gaz süspansiyonları, katmanlı sistemler, gaz-gaz sistemleri ve diğerleri ile yürütülmüştür. Reaksiyonlar, bir vakumda ve hem inert hem de reaktif gazlar altında gerçekleştirilmiştir. Reaksiyonun sıcaklığı, eritme veya buharlaşma sürecinde ısıyı emen atıl tuz ilavesiyle, örneğin sodyum klorit veya soğutma oranını düşürmek için oldukça ekzotermik bir karışım olan "kimyasal fırın" ekleyerek[9].

Örnekler

Alkali metalin reaksiyonu kalkojenitler (S, Se, Te) ve piknikler (N, P, As) diğer metal halojenürlerle karşılık gelen metal kalkojenitleri ve pnikitleri üretir.[10] Sentezi galyum nitrür itibaren galyum triiyodür ve lityum nitrür açıklayıcıdır:

GaI3 + Li3N → GaN + 3 LiI

İşlem o kadar ekzotermiktir (ΔH = -515 kJ / mol) ki LiI buharlaşarak bir GaN kalıntısı bırakır. GaCl ile3 GaI yerine3Reaksiyon o kadar ekzotermiktir ki GaN ürünü ayrışır. Bu nedenle, metal halojenürün seçimi yöntemin başarısını etkilemektedir.

Bu yöntemle hazırlanan diğer bileşikler arasında metal dikalkojenitler, örn. MoS2. Reaksiyon bir paslanmaz çelik Na fazlası olan reaktör2S.[6]

Ürünlerin faz bileşimini kontrol etmek için yapay yüksek yerçekimi ortamında kendi kendine yayılan yüksek sıcaklık sentezi de gerçekleştirilebilir.[11].

SHS, yakma sonucu ortaya çıkan küller, klinoptilolit gibi harcanmış inorganik iyon değiştiriciler ve kontamine topraklar dahil olmak üzere çeşitli nükleer atık akışlarını vitrifiye etmek için kullanılmıştır. [12].

Reaksiyon Kinetiği

SHS işlemlerinin katı hal doğası nedeniyle, reaksiyon kinetiğini ölçmek mümkündür. yerinde elektrotermal patlama dahil olmak üzere çeşitli deneysel teknikler kullanarak, diferansiyel termal analiz, diğerleri arasında yanma hızı yaklaşımları. [13] İntermetalik, termit, karbürler ve diğerleri dahil olmak üzere çeşitli sistemler üzerinde çalışılmıştır. SHS kullanılarak, parçacık boyutunun reaksiyon kinetiği üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu gösterilmiştir. [14]. Ayrıca, bu etkilerin parçacıkların yüzey alanı / hacim oranı arasındaki ilişki ile ilişkili olduğu ve kinetiğin kontrol edilebildiği gösterilmiştir. üzerinden yüksek enerjili bilyeli frezeleme [15]. Reaktiflerin morfolojisine bağlı olarak, faz oluşumundan önce bir sıvı fazın meydana geldiği bir SHS reaksiyonunu başlatmak veya herhangi bir eriyik olmaksızın doğrudan katı fazlı ürünlerle sonuçlanmak mümkündür. [16]

Referanslar

  1. ^ "Kendiliğinden Yayılan Yüksek Sıcaklık Sentezinin Kısa Ansiklopedisi. Tarih, Teori, Teknoloji ve Ürünler". 1. Baskı, Editörler: I. Borovinskaya, A. Gromov, E.Levashov ve diğerleri, Künye: Elsevier Science, 2017 [1]
  2. ^ Mukasyan, Alexander S .; Shuck, Christopher E .; Pauls, Joshua M; Manukyan, Khachatur V. (2018-12-02). "Katı Alev Fenomeni: Yeni Bir Bakış Açısı". İleri Mühendislik Malzemeleri. 174 (2–3): 677–686. doi:10.1016 / j.cej.2011.09.028.
  3. ^ "Refrakter inorganik bileşiklerin kendi kendine yayılan yüksek sıcaklık sentezi", A.G. Merzhanov, I.P. Borovinskaya. Doklady Akademii Nauk SSSR, Cilt 204, N 2, s. 366-369, Mayıs, 1972
  4. ^ SSCB Patent No. 255221, Byull. Izobr. 10 numara
  5. ^ Pini, Martina; Rosa, Roberto; Neri, Paolo; Bondioli, Federica; Ferrari, Anna Maria (2015). "Aşağıdan yukarıya bir TiO nanopartiküllerinin hidrolitik sentezinin çevresel değerlendirmesi". Yeşil Kimya. 17 (1): 518–531. doi:10.1039 / C4GC00919C.
  6. ^ a b Philippe R. Bonneau, John B. Wiley, Richard B. Kaner "Molibden Disülfide Metatetik Öncü Yol" İnorganik Sentezler 1995, cilt. 30, sayfa 33–37. doi:10.1002 / 9780470132616.ch8
  7. ^ Mukasyan, Alexander S .; Khina, Boris B .; Reeves, Robert V .; Oğlu Steven F. (2011-11-01). "Mekanik aktivasyon ve gazsız patlama: Nanoyapısal yönler". Kimya Mühendisliği Dergisi. 174 (2–3): 677–686. doi:10.1016 / j.cej.2011.09.028.
  8. ^ Shuck, Christopher E .; Manukyan, Khachatur V .; Rouvimov, Sergei; Rogachev, Alexander S .; Mukasyan, Alexander S. (2016/01/01). "Sabit alev: Deneysel doğrulama". Yanma ve Alev. 163: 487–493. doi:10.1016 / j.combustflame.2015.10.025.
  9. ^ Kurbatkina, Viktoria; Patsera, Evgeny; Levashov, Evgeny; Vorotilo, Stepan (2018). "Ultra Yüksek Sıcaklık Uygulamaları için Ta – Ti – C, Ta – Zr – C ve Ta – Hf – C Karbürlerinin SHS İşleme ve Konsolidasyonu". İleri Mühendislik Malzemeleri. 20 (8): 1701065. doi:10.1002 / adem.201701065.
  10. ^ Richard G. Blair, Richard B. Kaner "Katı Hal Metatez Malzemeleri Sentezi" http://www.sigmaaldrich.com/sigma-aldrich/technical-documents/articles/chemfiles/solid-state-metathesis.html
  11. ^ Yin, Xi; Chen, Kexin; Ning, Xiaoshan; Zhou, Heping (2010). "Ti3SiC2 / TiC Kompozitlerinin Yüksek Yerçekimi Koşullarında Elementel Tozlardan Yanma Sentezi". Amerikan Seramik Derneği Dergisi. 93 (8): 2182–2187. doi:10.1111 / j.1551-2916.2010.03714.x.
  12. ^ Mİ. Ojovan, W.E. Lee. Radyoaktif ve toksik atıkların hareketsizleştirilmesi için kendi kendine devam eden vitrifikasyon. Cam Teknolojisi, 44 (6) 218-224 (2003)
  13. ^ Mukasyan, A. S .; Shuck, C.E. (23 Eylül 2017). "SHS reaksiyonlarının kinetiği: Bir inceleme". Uluslararası Kendiliğinden Yayılan Yüksek Sıcaklık Sentezi Dergisi. 26 (3): 145–165. doi:10.3103 / S1061386217030049.
  14. ^ Hunt, Emily M .; Pantoya, Michelle L. (Ağustos 2005). "Metalik termitlerin ateşleme dinamikleri ve aktivasyon enerjileri: nano-mikron ölçekli parçacıklı kompozitlere". Uygulamalı Fizik Dergisi. 98 (3): 034909. doi:10.1063/1.1990265.
  15. ^ Shuck, Christopher E .; Mukasyan, Alexander S. (Şubat 2017). "Reaktif Ni / Al Nanokompozitler: Yapısal Özellikler ve Aktivasyon Enerjisi". Fiziksel Kimya Dergisi A. 121 (6): 1175–1181. doi:10.1021 / acs.jpca.6b12314. PMID  28099018.
  16. ^ Mukasyan, A.S .; White, J.D.E .; Kovalev, D.Y .; Kochetov, N.A .; Ponomarev, V.I .; Oğlu, S.F. (Ocak 2010). "Al – Ni sisteminde termal patlama sırasında faz dönüşümünün dinamikleri: Mekanik aktivasyonun etkisi". Physica B: Yoğun Madde. 405 (2): 778–784. doi:10.1016 / j.physb.2009.10.001.

Dış bağlantılar

  • ISMAN SHS hakkında
  • Yanma Sentezi ESA tarafından bilgi
  • Yanma Sentezi Bentham E-Kitap, Maximilian Lackner
  • [2] SHS tarafından ay kolonilerinin ihtiyaçları için oluşturulmuş malzemeler.