Mg-TiO自蔓延高温合成反应研究

摘要

本文从热力学、动力学两方面研究了2Mg+TiO<,2>=Ti+2MgO自蔓延高温合成反应的可行性，并且从工艺参数对反应的影响方面研究了2Mg+TiO<,2>=Ti+2MgO的反应过程，该研究可以发展成为制备金属钛的一种新方法。 基于热力学理论，对Mg-TiO<,2>体系反应的吉布斯自由能、绝热温度、Ti的熔化率以及Mg的气化量进行了理论计算和分析。吉布斯自由能计算表明：反应2Mg+TiO<,2>=Ti+2MgO在2242K以下的吉布斯自由能(AG<'Θ><,T>)都小于零，即反应可以自发进行；通过对Mg-TiO<,2>体系的吉布斯自由能的计算可知，在Mg-TiO<,2>体系中可能进行生成Ti<,3>O<,5>、Ti<,2>O<,3>、TiO等多种低价氧化物的反应，随着温度的升高，单质Ti还原反应趋势下降。另外通过对Al-TiO<,2>体系吉布斯自由能的计算得出了与Mg-TiO<,2>体系同样的规律。绝热温度的计算表明：随着x的增加，反应(2+x)Mg+TiO<,2>=Ti+2MgO+xMg的绝热温度逐渐降低，在x<0.5时绝热温度均大于1800K。Ti的熔化率计算表明：绝热温度曲线上出现的平台是Ti的熔化吸热所致。Mg的气化量计算表明：在反应过程中Mg大量气化，要得到Ti单质，反应中x必须在0.9以上。 基于差热分析和动力学理论，研究了2Mg+TiO<,2>=Ti+2MgO的反应过程。从差热曲线上可以看出：反应的放热峰出现在767K～886K之间小于Mg的熔点(933K)所以反应为固一固反应；由DTA结果推算动力学参数：活化能E=248.9KJ.mol<'-1>，反应级数n=0.55。 结合x射线衍射分析研究工艺参数的影响表明：由于反应过程中Mg大量气化，要使反应2Mg+TiO<,2>=Ti+2MgO进行完全，即得到Ti单质，Mg必须过量0.9mol：反应环境的真空度越高，反应生成氧化物的价态越低，反应进行的越完全，越容易得到Ti；压坯压力越大，燃烧产物的孔隙越小，完整性越好，燃烧波速度越高，燃烧温度随压坯压力的增大先升后降，其界限为275MPa；随着坯料直径的增加，燃烧波速度先升后降燃烧温度先升高，然后趋于稳定。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1自蔓延高温合成材料

1.1.1 SHS技术的发展历史

1.1.2 SHS技术的特点

1.1.3自蔓延高温合成的原理

1.1.4自蔓延技术的分类

1.1.5 SHS的过程热力学

1.1.6 SHS动力学

1.1.7结构宏观动力学

1.1.8影响SHS反应的因素

1.1.9 SHS技术的应用

1.2热剂反应自蔓延高温合成材料

1.2.1热剂反应特点

1.2.2铝热剂反应合成

1.2.3镁热剂反应合成

1.3 Mg-TiO2自蔓延高温合成反应的研究现状

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4本文的研究内容

第2章Mg-TiO2自蔓延高温合成反应的热力学分析

2.1热力学理论基础

2.1.1吉布斯自由能的计算

2.1.2回归法求吉布斯自由能二项式

2.1.3标准反应热效应的推导

2.1.4物质相对焓的计算

2.1.5反应的绝热温度计算

2.1.6反应产物熔化率的计算

2.2 Mg-TiO2与Al-TiO2体系反应吉布斯自由能的计算

2.2.1 Mg-TiO2的吉布斯自由能计算

2.2.2 Mg-TiO2、Al-TiO2体系吉布斯自由能的计算

2.3 Mg-TiO2体系的反应热效应

2.4 Mg-TiO2反应的绝热温度

2.5 Mg的气化量计算

2.6 Al-TiO2反应的绝热温度

2.7小结

第3章实验材料及过程

3.1实验材料及设备

3.1.1实验材料

3.1.2实验设备

3.2实验工艺

3.2.1实验工艺流程

3.2.2实验步骤

第4章2Mg-TiO2反应的差热分析和动力学参数推算

4.1差热分析的基本原理

4.1.1差热曲线的形成

4.1.2差热曲线提供的信息

4.1.3差热的分析影响因素

4.2根据DTA结果推算合成过程的动力学

4.3 2Mg-TiO2合成反应的DTA分析

4.4根据DTA结果推算合成过程的动力学常数

4.4.1反应的变化率

4.4.2 2Mg-TiO2的DTA分析计算

4.5小结

第5章工艺参数对(2+x)Mg-TiO2自蔓延高温合成的影响

5.1燃烧观察

5.2工艺参数对(2+x)Mg-TiO2自蔓延高温合成反应的影响

5.2.1物料配比对反应产物的影响

5.2.2真空度对反应产物的影响

5.2.3压坯压力对Mg-TiO2自蔓延高温合成的影响

5.2.4坯料直径对燃烧温度和燃烧波速度的影响

5.3小结

第6章 研究结果与展望

6.1研究结果

6.1.1热力学研究

6.1.2动力学研究

6.1.3工艺参数的影响

6.2研究展望

参考文献

致谢

附录