3148972963

Rozdział 1

Synteza spaleniowa jako metoda otrzymywania materiałów nanostrukturalnych

Samorozprzestrzeniająca się Synteza Wysokotemperaturowa (SSW), określana jako SHS (od ang. Se/f-propagating High-temperature Synthesiś), jest metodą o potencjalnie ogromnych możliwościach w zakresie projektowania nowych materiałów [1], Jej synonimem jest spotykane w literaturze określenie „synteza spaleniowa” (CS, od ang. Combustion Synthesiś). W mieszaninie reduktora i utleniacza zostaje zainicjowana reakcja (np. przez grzanie oporowe), która następnie rozwija się samorzutnie (często wybuchowo). Cały proces jest szybki, łatwy (pod względem budowy reaktora, przygotowania substratów, zaprojektowania układu eksperymentalnego), korzystny energetycznie i wydajny. Odznacza się także dużą dowolnością w doborze reagentów, a stąd posiada wiele odmian i charakteryzuje się ogromną różnorodnością możliwych do otrzymania produktów. Problemami są trudności na etapie teoretycznego modelowania kolejnych etapów reakcji i wynikające stąd utrudnienia w optymalizacji i pełnej kontroli syntezy, a także brak możliwości prowadzenia jej w reżimie ciągłym. Historia metody sięga drugiej połowy XIX w. W 1885 roku Goldschmidt przedstawił pierwsze wyniki dotyczące samorozprzestrzeniających się reakcji w fazie stałej otrzymując metale i ich stopy w reakcji metalicznego glinu z tlenkami (m.in. chromu, manganu, żelaza, tytanu). Zaobserwował, iż w czasie redukcji związku metalicznego następuje zainicjowanie spalania w jednym miejscu, a dalej reakcja rozprzestrzenia się samorzutnie. Przez kolejne kilkadziesiąt lat próby opisu zjawiska bazowały na teorii propagacji fali spalania [2, 3], W ten sposób analizowano również szeroko rozpowszechnioną i wykorzystywaną praktycznie (np. do uzupełniania ubytków oraz łączenia szyn) reakcję aluminotermiczną (tzw. termitową), którą można zapisać następującym równaniem reakcji:

x Me’(_S) + MeⁿxOy_(S) -> Me‘_xO_y + x Me¹¹ 2 A1(_S)+ Fe2C>3(s) —*■ Al2C>3(s) + 2 Fe(_S)

W przypadku mieszaniny Al/Fe203 ciekłe produkty (reduktor: glin) szybko ulegają zestaleniu, a na skutek różnic gęstości łatwo oddzielić je od zredukowanego

13