Метод СВС
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез
Лекция 8
В 1967 г. в институте химической физики АН СССР А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская и В.М. Шкиро обнаружили новые интересные процессы гетерогенного горения, протекающие без участия кислорода. В качестве горючего в них выступали металлы (Ti, Zr, Hf, Nb, Ta и др.), в качестве окислителя - неметаллы (B, C, N, Si). С помощью локального инициирования были реализованы волновые (самораспространяющиеся) режимы, в которых химическое превращение сосредоточено в зоне, перемещающейся по смеси порошков.
Характерной особенностью является то, что в ходе процесса практически отсутствует газовыделение и образуются полностью конденсированные продукты, при этом в конденсированной фазе может развиваться очень высокая температура (до 4000 К).
В указанных процессах происходит безотходный химический синтез тугоплавких соединений - боридов, карбидов, силицидов, нитридов. Эти соединения являются основой широкого класса современных неорганических материалов - жаропрочных и жаростойких, сверхтвердых и износоустойчивых, сверхпроводящих, изоляционных и полупроводниковых материалов, способных работать в экстремальных условиях.
На основе бескислородного горения был разработан новый метод получения тугоплавких соединений и материалов, получивший название сначала «безгазовое горение», а затем «самораспространяющийся высокотемпературный синтез» (СВС).
Преимущества метода СВС:
· незначительные внешние энергетические затраты;
· простота оборудования;
· быстрота процесса;
· большая производительность;
· чистота продукта.
Порошки, полученные методом СВС могут применяться и применяются для создания:
Ø абразивных материалов;
Ø изделий из твердых сплавов;
Ø жаростойких тиглей;
Ø высокотемпературных нагревателей;
Ø антифрикционных деталей;
Ø 
изделий из специальной керамики.
Применение СВС-продуктов рассмотрим отдельно.
Разрабатываются приёмы прямого получения изделий методом СВС. Для этого процесс проводят так, чтобы продукт сгорания образовывался в виде компактного материала заданного состава, определенной формы и размеров, с нужными свойствами.
Крупные результаты получены и в теории. Так,
ü разработана и экспериментально подтверждена теория безгазового горения;
ü сформулированы основные положения теории фильтрационного горения.
Обнаружены новые явления и эффекты:
ü волновая локализация автотормозящихся твердофазных реакций;
ü поверхностное горение;
ü послойное горение;
ü автоколебательное горение;
ü спиновое горение;
ü расщепление и отражение волн;
ü волновое расслоение среды.
В последнее время в связи с успешным химико-технологическим применением процессов горения понятие «саморапространяющегося высокотемпературного синтеза» несколько расширилось. К СВС стали относить любые процессы горения, протекающие с образованием веществ и материалов, в том числе и процессы в многокомпонентных системах с участием самых различных соединений и образованием побочных конденсированных и газообразных продуктов.
Схема установки, реагенты и способы синтеза
 |
1 - герметичный сосуд (бомба)
2 - образец
3 - воспламенительное устройство
4 - термопара
5- окна для наблюдений, фоторегистрации и спектральных исследований
Процесс проводят в бомбе 1. Объём её достаточно велик, чтобы давление в ней в ходе СВС изменялось незначительно. Инициирование осуществляется либо нагреванием электрической спирали 3, либо с помощью специальных поджигающих составов. Для исследования характера и скорости горения процесс (он сопровождается ярким свечением) фотографируют через окна 5 на пленку, движущуюся перпендикулярно распространению фронта горения; в некоторых случаях проводят киносъемку. С помощью термоэлектрических или оптических методов изучают профили температуры в волне. После прохождения фронта горения и остывания образца его извлекают и анализируют продукты СВС.
Существует три варианта установок, в зависимости от давления:
· вакуумные 10-4 ¸ 10-1 Па
· баллонные 0,1 ¸ 15 МПа
· высокого давления 50 ¸ 500 МПм
Реагенты в СВС-процессах используются в виде тонкодисперсных порошков, тонких пленок, жидкостей и газов. Наиболее распространены два типа систем:
· смеси порошков (спрессованные или насыпной плотности) и
· гибридные системы газ-порошок (или спрессованный агломерат)
Главное требование к структуре исходной системы - обеспечение условий для эффективного взаимодействия реагентов. Шихта в СВС-процессах может находиться в вакууме, на открытом воздухе, в инертном или реагирующем газе.
В создании СВС-системы могут участвовать в качестве реагентов все химически активные при высоких температурах вещества (химические элементы, индивидуальные соединения, многофазные структуры) и инертные вещества в качестве наполнителей или разбавителей.
Наиболее популярные реагенты: H2, B, Al, C, N2, O2, Mg, Ti, Nb, Mo, Si, Ni, Fe, B2O3, TiO2, Cr2O3, MoO3, Fe2O3, NiO и др.
В качестве реагентов используются также минеральное сырье и промышленные отходы.
Условия подбора компонентов СВС-системы:
· экзотермичность взаимодействия реагентов;
· образование полезных твердых продуктов;
· техническая и экономическая целесообразность.
Наиболее распространены два способа СВС:
1. Синтез в конденсированной фазе. В этом способе образец представляет собой смесь порошкообразных реагентов (засыпанную в стаканчик или спрессованную). Процесс проводят в вакууме или в среде инертного газа.
2. Синтез в фильтрационном режиме. Здесь образец состоит из частиц лишь одного реагента, другой находится в газообразном состоянии. Для осуществления процесса необходимо химическое взаимодействие образца с газообразным реагентом, которое облегчается благодаря фильтрации газа по порам образца.
Есть и другие способы проведения СВС-процессов:
· реактор с полным заполнением герметического сосуда веществом;
· реактор с жидким азотом;
· реактор с продувкой газом;
· реактор с предварительным подогревом вещества;
· реактор с закалкой горящего образца.
Процессы СВС осуществлены для многих химических систем. Это:
ü элементные системы металл - неметалл, металл - металл, неметалл - неметалл;
ü составы с неметаллсодержащими соединениями (углеводородами, азидами и др);
ü многокомпонентные смеси, содержащие оксид металла, металл-восстановитель и неметалл и др.
Важно, что во всех системах твердые компоненты используют в дисперсном состоянии (обычно размер частиц не превышает 200 мкм).
Химические системы, в которых реализованы СВС-процессы приведены в таблице.
| Системы | Реагенты | ||
| I | II | III | |
| бинарные | |||
| Элементные системы (прямой | Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, Cr, Mo, W, Al, Mg | B, C, Si, P, S, O2, Cl2, N2 | |
| синтез из элементов) | Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, Mo | B, C, Si | |
| W, Mo, Ta, Nb, Hf | S, Se | ||
| Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni | P | ||
| Ti, Zr, Hf, Ta, V, Hb, Al, Mg | N2 | ||
| B, Al, Si | N2, C | ||
| Ti, Zr, Hf, Hb, Ta, V, Sc, Y, Pr, Nd, Sm, Tb, Dy, Ho | H2 |
| Ni, Co, Ti, Zr, Cr, Fe, Cu, Mo | Al | ||
| Ti | Ni, Co, Fe | ||
| Nb | Ge | ||
| многокомпонентные | |||
| Ti, Mo, Zr, W | Zr, Hf, W, Re, Ta | Si | |
| Zr | Nb | N2 | |
| Ti | Mo, Re, Cr, Sc | B, C | |
| Mo, W | Nb | Se, S | |
| Ti, Zr, Nb, Ta | B, N2, H2 | C | |
| Системы, содержащие сплавы | Zr2Co, ZrCo, ZrCo2, Zr2Ni, ZrNi | H2 | |
| или интерметаллиды | Fe-Ti, Fe-V, Fe-Cr, Fe-Cr-Al, Fe-V-Ti, Fe-Cr-V, Fe-V-Cr-S | N2 | |
| Системы с | Ti, Al, Zr, Hf, Si | NaN3, Nb4N3 | |
| неметалло-содержащими соединениями | Al, B, C, Si, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, W, Fe, Mo, Co, Cr, S, Se | MNO3, MNO2, где M-K, Na, Ba, Li, Pr, Ca, La | |
| Hf, Nb, Ta | MSx, где M-La, Lu | ||
| Системы с метало-термическими | Cr2O3, WO2, WO3, Fe2O3 | B | |
| компонентами (синтез с | WO2, WO3, MoO3, Cr2O3, CrO3, V2O5 | Al | B, C |
| восстановительной стадией) | TiO2, ZrO2, TaO5, B2O3 | Mg, Ca, Al | B, C, N2, C2H2, CH4, N2H4, NH3 |
| TiCl4, TiCl3, ZrCl4, BCl3 | Mg, Ca | -//- | |
| TiF4, ZrF4, TaF4, BF3 | Mg, Ca | -//- | |
| Прямой синтез с участием соединений | PbO2, MnO2, PbO, BaO2 | MoO2, WO2, SiO, TiO, TiO2 | O2 |
| PbO2, ZrO2, HfO2 | BaO2 | Ti, Zr, Hf |
В исследованиях СВС-процессов важно как количественная информация о процессе (линейные скорости горения, максимальные температуры и температурные профили, тепловые эффекты и степень сгорания, состав продуктов), так и качественное описание наблюдаемых явлений и эффектов. На основе этих результатов характеризуют условия синтеза, изучают механизм СВС, экспериментально обосновывают выводы теории.
Закономерности распространения фронта горения
Первая стадия СВС - локальное инициирование реакции.
Параметрами зажигания являются:
tз - время задержки (продолжительность инициирования)
Тз - температура зажигания
qо - мощность потока
Qз - энергия зажигания Qз = qз×tз
Количественные значения параметров
qо = 5×10-3 ¸ 5×10-2 Дж/м2×с
Тз = 1350 ¸ 1900 К
tз = 0,05 ¸ 6 с
Qз =5×10-3 ¸ 0,5 Дж/м2
Эти значения свидетельствуют о том, что СВС-процессы относятся к трудноинициируемым процессам горения - температуры и энергии зажигания этих систем превосходят таковые для известных конденсированных составов.
После инициирования и некоторого переходного периода (с длительностью порядка времени зажигания) устанавливается стационарный режим, характеризующийся постоянством линейной скорости перемещения фронта горения во времени и по сечению образца.
Фронт горения - это условная поверхность, разделяющая зоны прогрева и реакции.
Скорость распространения фронта изменяется:
- от 6×10-4 - 6×10-3 м/с у медленногорящих систем (например, смеси Ta, Nb, Mo с бором и углеродом)
- до 0,08 - 0,25 м/с у быстрогорящих (например, смеси Ti и Zr с бором и углеродом).
Когда стационарный режим теряет устойчивость, могут возникнуть неустойчивые режимы распространения фронта:
· плоские колебания скорости фронта горения (пульсирующее горение),
· локализация реакции горения в очагах, движущихся по винтовой траектории (спиновые волны),
· беспорядочное движение множества очагов горения (хаотические твердые пламенна).
Распространение зоны химических реакций называют волной горения. Волна горения имеет определенную протяженность и состоит из ряда зон:
· зоны прогрева или предпламенной зоны (в ней реакции горения еще не протекают, а только осуществляется теплоперенос и нагрев шихты),
· зоны реакции (в ней протекают основные реакции горения, обеспечивающие необходимое тепловыделение),
· зоны догорания (в ней продолжаются химические реакции, но они уже не влияют на скорость распространения фронта),
Вторая стадия СВС - протекание вторичных физико-химических превращений, определяющих состав и структуру конечных продуктов.
Зависимости скорости горения от различных параметров приведены на рисунках, в которых:
UВ - верхнее значение скорости
UН - нижнее значение скорости
Для систем с летучим компонентом (серой, селеном, фосфором), а также для гибридных систем с участием азота и водорода вид зависимостей другой. Отличия проявляются сильнее на кривых зависимости от давления и соотношения реагентов, более чувствительных к наличию в реагирующей системе газовой фазы.
На скорость горения влияют:
· состав газовой среды,
· конденсированные добавки,
· сжатие образца,
· ультразвуковое воздействие.
При изменении условий основной стационарный режим горения может нарушаться. Нарушения приводят либо к неустойчивому (нестационарному) распространению фронта, либо к гашению.
При потере устойчивости фронт продолжает распространятся, но с изменяющейся во времени скоростью, при этом его отдельные точки могут перемещаться с разными скоростями и в разные стороны. Вызвать неустойчивое распространение фронта можно путем введения в шихту достаточно большого количества инертной добавки.
К гашению приводит действие факторов, уменьшающих теплосодержание системы, затрудняющих взаимодействие компонентов, увеличивающих теплообмен с окружающей средой.
В области неустойчивого фронта горения обнаружено два новых режима: автоколебательный и спиновой.
При автоколебательном режиме горения мгновенное значение скорости распространения фронта колеблется вблизи некоторого среднего значения. Внешне процесс выглядит как чередование вспышек и депрессий.
При спиновом горении реакция локализуется в очаге, движущемся в образце по спирали при постоянстве во времени осевой и тангенциальной составляющих скорости.
Таким образом, закономерности распространения фронта горения в процессах СВС весьма разнообразны. С помощью различных параметров можно управлять процессом, обеспечивая устойчивость горения при определенных значениях скорости.
Тепловые эффекты и максимальные температуры горения
в процессах СВС
При протекании СВС выделяется большое количество тепла и развивается высокая температура.
Тепловые эффекты СВС определяются с помощью автоматического калориметра сжигания.
Измерения максимальных значений температур горения проводят:
· термопарным методом (при этом, термопару толщиной 50 - 100 мкм помещают в высверленное в образце отверстие),
· микротермопарным методом (термопару толщиной 5 - 10 мкм, покрытую слоем изолятора толщиной 1 - 2 мкм, запрессовывают в образец),
· оптико-спектральным методом.
Значения температур горения, полученные разными методами, близки друг к другу. Экспериментальные данные для реакций образования боридов, карбидов, силицидов, проведенных в условиях, обеспечивающих максимальное значение температур горения, приведены в таблице.
| Система | Q, кДж/кг | Температура горения Тг, К | ||
| термопарный метод | микротермо-парный м-д | оптикоспек-тральный м-д | ||
| Ti + 2B | - | |||
| Ti + C | - | - | ||
| Ti + Si | - | - | ||
| Ta + 2B | - | |||
| Ta + C | - | - | ||
| 5Ti + 3Si |
Наименьшие температуры развиваются при горении металлов в водороде (1100 - 1400 К), наибольшие - при образовании карбидов и боридов (3000 - 3500 К).
На температуру горения наиболее сильное влияние оказывают параметры, связанные с теплосодержанием составов: соотношение реагентов и степень разбавления инертным продуктом. С их помощью температуры горения можно изменять на 500 - 700 К.
Зависимости температуры горения от размера частиц, соотношения реагентов, плотности, диаметра образца, начальной температуры аналогичны по виду зависимостям скорости распространения фронта. Это говорит о том, что влияние данных параметров на скорость распространения фронта осуществляется преимущественно через изменение температуры горения.
Температуру горения понижают путем разбавления исходных веществ продуктами сгорания. Повысить температуру горения можно в результате предварительного подогрева шихты.
Структура волны горения
Не все химические и физические процессы СВС сосредоточены во фронте, некоторые протекают в протяженной зоне, образующей волну горения.
В последние годы развиваются исследования структуры волны горения, измерения профилей температуры и концентраций веществ - задачи, без решения которых невозможно понять детальный механизм СВС. Такие исседования развиваются в связи с разработкой малоинерционных дополняющих друг друга методов измерения температуры в волне горения.
Микротермопарный метод позволяет регистрировать полный профиль температуры в волне, но ограничен верхним пределом температуры (практически он применим до температур 2800 - 3000 К). Оптико-спектральный метод измерения, наоборот, имеет нижний предел температуры и позволяет регистрировать высокотемпературную часть профиля температуры.
Обнаружено два вида температурных профилей в процессах СВС:
ü простые профили, в которых температура плавно изменяется от начальной до конечной,
ü сложные профили, в которых имеются изломы, перегибы с близкой к нулю производной, изотермические участки.
Обычно профили дифференцируют и представляют в координатах тепловой поток - температура. Тепловой поток равен:
где l - коэффициент теплопроводности.
Виды профилей температуры в волне горения приведены на рисунках.
а) простой профиль (Nb + 2B)
ТО - начальная температура
ТВ - температура воспламенения
ТГ - температура горения
q - тепловой поток
б) сложный профиль (Ti + 0,6Si)
Важной характеристикой профиля является температура воспламенения ТВ. Она делит волну на две зоны с температурными интервалами:
ТО - ТВ - зона прогревания (в ней тепловыделение несущественно)
и ТВ - ТГ - зона реакции.
Зависимость теплового потока от температуры в зоне прогревания линейна - прямая Михельсона. Параметры, характеризующие структуру волны, приведены в таблице.
| Система | U×102, м/с | ТВ (±100), К | ТГ (±100), К | Вид профиля | l×103 (±20%), м | L×103 (±20%), м | tp, сек | tp, сек | w×10-4, град/сек |
| Скоро-сть расп-ростра-нения фронта | Тем-ра воспла-менения | Тем-ра горения | Длина михель-сонов-ского участка | Общая длина волны | Время реак-ции в волне | Время нагре-вания вещес-тва в волне | Скорость нагре-вания вещес-тва в волне | ||
| Nb+ 2B | 0,62 | a | 0,170 | 1,0 | 0,13 | 2,7 | 3,6 | ||
| Ti+ B | 3,8 | a | 0,050 | 2,0 | 0,5 | 1,1 | 75,2 | ||
| Mo+ B | 0,25 | a | 0,200 | 1,2 | 0,4 | 8,0 | 1,2 | ||
| Ti+ 0,75B | 1,0 | б | 0,150 | 2,55 | 0,24 | 1,5 | 6,5 | ||
| Ti+ Si | 1,5 | б | 0,080 | 2,3 | 0,15 | 0,5 | 14,7 |
Как видно из таблицы, длина волны может достигать сравнительно больших величин (4-5 мм), что в других процессах горения не наблюдается.
Ширину зоны Михельсона определяют во формуле:
ТВ - Т×(-l) = 1/е×(ТВ - ТО)
где l - длина михельсоновского участка, м.
Значения времени реакции tр, времени нагревания вещества в волне tн и скорости нагревания w рассчитывают по формулам:
Малые времена синтеза (0,05 - 1 сек) и высокие скорости нагревания вещества в волне (до миллиона градусов в секунду) говорят о том, что СВС следует отнести к категории экстремальных химических процессов. Такие темпы нагревания конденсированного вещества в миллиметровых слоях с помощью внешних источников энергии осуществить трудно.
Исследования структуры волн горения выявили в общем случае сложную картину превращений вещества при СВС и позволили оценить ряд важных параметров.
Классификация механизмов СВС
В основу классификации механизмов СВС положено агрегатное состояние компонентов в зоне реакции.
Возможны следующие механизмы СВС:
1. наиболее распространен в процессах СВС случай, когда
,
где 
- температура кипения компонента.
При соблюдении этого условия, в ходе горения исходные вещества, промежуточные и конечные продукты находятся в конденсированном состоянии. Такой процесс получил название безгазового горения.
Характерные черты безгазового горения - независимость скорость распространения фронта от давления и постоянство массы образца в ходе процесса.
Для безгазового горения выполняется условие Ркомп << Ро
Ркомп - давление паров компонентов или примесей,
Ро - внешнее давление.
2. случай, когда 
В этом случае реакция протекает между твердым и жидким компонентами. Например, горение смесей Ti + C, Zr + C, Ti + B.
В этих случаях может наблюдаться эффект капиллярного растекания, когда один компонент плавится «намного раньше» другого и хорошо его смачивает. Для смесей, горящих с эффектом капиллярного растекания, скорость распространения волны достигают наивысших для СВС значений - до 0,25 м/с.
3. Твердофазное безгазовое горение. Его условием является:
Эти реакции протекают очень медленно даже при высоких температурах и с сильным автоторможением. Например, системы Ta, Nb, Mo с бором и углеродом.
Твердофазное безгазовое горение имеет наименьшие для СВС значения скорости распространения волны - 1 ¸ 6×10-3 м/с.
4. широко распространен случай, когда
т.е. один компонент твердый, другой - газообразный.
Такой режим реализуется как в гибридных системах (с газообразным компонентом - N2, H2, O2), так и в перемешанных (с летучим компонентом - S, Se, P). В обоих случаях наличие одного реагента в газообразном состоянии, а другого - в виде пористого тела приводит к фильтрационному переносу газа.
Процессы СВС, в которых выполняется это условие называют фильтрационными.
5. гетерофазные реакции с конденсированным продуктом. Условие:
Этот случай еще не изучен.
Тепловая теория СВС
Процессы СВС имеют тепловую природу. Они возникают в результате сильного тепловыделения при взаимодействии реагентов и теплопередачи от горячих слоёв к холодным (от продуктов к исходным веществам).
На интенсивность этих процессов оказывают влияние теплопотери в окружающую среду. Если они велики - волна синтеза распространяться не может.
На практике часто реализуются адиабатические режимы, при которых теплопотери несущественны.
Наиболее часто встречающийся случай в СВС - стационарное адиабатическое распространение плоской волны. Этот случай может быть проанализирован с помощью системы уравнений:
l - коэффициент теплопроводности,
х - осевая координата,
СР - теплоемкость,
U - скорость распространения фронта,
Q - тепловой эффект реакции,
r - плотность,
Ф(Т, h) - кинетическая функция
h - степень превращения
с граничными условиями х = -¥ Т = То h =0
х = +¥ Т = Тад h = hр
Температуру адиабатического горения Тад и равновесную степень превращения hр определяют термодинамическими расчетами.
Решения системы уравнений (числовыми и аналитическими методами) дает зависимость Т(х), h(х), U(Тад).
На рисунке представлена типичная структура волны горения в тепловой теории.
Специфические черты структуры волны (вытекающие из решения системы уравнений):
1. скорость тепловыделения достигает максимума при температурах, близких к Тад,
2. зона реакции (тепловыделение) по протяженности намного меньше прогретого слоя,
3. температурный профиль (рис. а) намного шире концентрационного (рис. в),
4. полная энтальпия в волне выше, чем в исходных веществах (конечных продуктов) и достигает максимума в конце зоны прогревания (рис. г).
Если кинетическую функцию выразить как
то, выражение для скорости горения примет вид:
где 
- тангенциальная координата степени превращения,
- теплопроводность вещества,
Выражение для U2 устанавливает фундаментальную связь между скоростью распространения волны и температурой горения, подтвержденную экспериментально.
Зависимость скорости горения от температуры горения более сильная, чем от других параметров, поэтому многие из них (соотношение реагентов, разбавление шихты, начальная температура) влияют на скорость преимущественно через Тад.
Коэффициент теплопроводности определяет границу между стационарным и автоколебательным режимами. При a > 1 осуществляется стационарный режим, при a < 1 - автоколебательный.
Структура волны синтеза в гетерогенный системах представлена на рисунке:
зона реакции
Наблюдается более плавный спад скорости тепловыделения после максимума и соответственно более плавный рост температуры и степени превращения. Максимум скорости тепловыделения находится при температурах, существенно меньших Тад, и степенях превращения, существенно меньших единицы.
В результате этих особенностей зона реакции (тепловыделения) оказывается разбитой на две подзоны - с быстрым тепловыделением и медленным тепловыделением. Первая зона определяет скорость распространения волны, вторая - степень превращения исходных веществ в конечные.
Новые параметры структуры волны Т* и h*, разделяющие две подзоны, определяют скорость распространения волны.
Технология СВС-продуктов
Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей и механизма горения конденсированных систем заложили научные основы СВС как нового эффективного метода синтеза бескислородных тугоплавких веществ (боридов, карбидов, нитридов, силицидов), оксидов, интерметаллидов, гидридов, халькогенидов, фосфидов и других неорганических соединений.
Принципиальная особенность СВС - образование соединения (синтез) является и причиной, и следствием процесса. Эта особенность выражает саморегулирование, основанное на сочетании прямых и обратных воздействий (синтез возможен лишь при высокой температуре, но такая температура возникает только благодаря синтезу). Это, конечно, ограничивает возможности СВС необходимостью использовать экзотермические системы, однако позволяет полностью использовать химическую энергию самой системы и создавать удобные условия для синтеза.
Продукты СВС пользуются спросом благодаря своей чистоте, доступности, повышенной химической стойкости и полезными физическими свойствами. Они представляют и большой научный интерес. Так, вследствие особой чистоты, они оказались удобными объектами для структурных нейтронографических исследований, а их повышенная химическая стойкость привела к разработке новых методик химического анализа.
Физические свойства продуктов СВС разнообразны и ценны. Среди них есть соединения, обладающие очень высокой температурой плавления (до 4 300 К), жаростойкостью и жаропрочностью, высокой твердостью и износоустойчивостью, сверхпроводимостью, диэлектрическими свойствами при высоких температурах, низкими значениями коэффициента трения в воздухе и в вакууме и т.д.
Многие СВС-процессы даже в простейшем варианте успешно конкурируют с традиционными энергоемкими технологиями. Однако по мере развития проблемы и технологии предъявляются все более сложные требования с целью получения максимального эффекта.
Наиболее важны две задачи.
Первая относится к использованию (утилизации) тепла, выделяемого реакцией СВС. С этой целью могут быть созданы специальные химические печи (с температурами 3 000 - 3 500°С) с ограниченным временем действия для проведения высокотемпературных физико-химических процессов. Другой аспект проблемы - создание непрерывной технологии СВС-продуктов (по схеме проточного реактора, в который входят реагенты, а выходят продукты) с преобразованием выделенного тепла в электроэнергию. Такое энерготехнологические процессы необходимо создавать для многотоннажных производств (ферросплавы, огнеупоры, ферриты, твердосплавные порошки и пр.).
Вторая задача связана с прямым получением методом СВС (в одну технологическую стадию) изделий заданной формы, размеров, состава и структуры. Первый положительный опыт такого синтеза изделий есть, но конкретные задачи сильно отличаются друг от друга и делать обобщения и прогнозы здесь очень трудно. Необходимы специальные теоретические исследования, выходящие за рамки проблемы СВС и хорошая, автоматизированная экспериментальная техника. Однако, несмотря на трудности будущее СВС изделий многообещающее.
Весьма перспективным является проведение СВС-процессов в экзотермических системах органического синтеза. В них СВС протекает при не очень высоких температурах (100 - 300°С) и с более низкими скоростями, что позволяет более детально исследовать механизм СВС с применением таких типичных для органической химии методов как ЭПР, ЯМР и др.
Незаслуженно не развиваются исследования СВС в криогенных системах (типа металлический порошок - жидкий азот), в смесях наноразмерных реагентов, в высокоплотных исходных составах.
В последние годы появилась возможность создания тонких многослойных пленок с наноразмерными слоями (например, путем магнетронного напыления). Такое горение позволяет изучать гетерогенные особенности СВС-процессов в простейших (модельных) условиях, а также использовать этот процесс для нанесения тонких покрытий.
Требует большего внимания так называемый газофазный СВС - горение газовых смесей с конденсацией продукта как в виде мелких, наноразмерных частиц, так и в виде пленок.
Большой интерес вызывает создание детонационных СВС-процессов, в которых передача энергии от продуктов реакции в исходную смесь происходит путем ударного сжатия вещества, а не благодаря теплопередаче, как в обычных СВС-процессах.
Есть много интересных задач по созданию специализированного оборудования. Это СВС-реактора с внешними воздействиями на горящую шихту (энергетическими, механическими). Большой интерес вызывает создание механохимического СВС-реактора, в котором процессы смешения реагентов, горения (синтеза) и измельчения продукта совмещены.