“一烧即得”的魔法：自蔓延燃烧合成技术重塑高端材料
在材料科学与工程领域，材料合成是支撑材料科学与工程发展的核心环节，其技术水平直接决定目标材料的组分均匀性、结构可控性与性能稳定性，进而影响航空航天、生物医疗、催化等关键领域的技术突破。与此同时，前沿领域对材料性能的需求正持续升级：在航空航天领域，需具备耐高温（1200℃以上）、抗腐蚀特性的轻量化结构材料，以满足发动机叶片与航天器热防护部件的服役要求；在生物医疗领域，需更高孔隙率的多孔合金——这类材料因强度高、密度低，且弹性模量与人骨接近，能显著提升生物相容性。然而，传统材料合成技术存在能耗大、规模化制备难、组分易含杂质等问题。以传统高温固相法为例，该技术需在1000-1500℃高温下保温10-20小时，通过固相扩散实现原料反应与产物成型。这一过程不仅能耗极高，还易因长时间高温导致晶粒异常长大、物相偏析，难以制备纳米级或超细结构材料。
在此背景下，自蔓延高温合成作为一种基于化学反应自放热效应的新型材料合成技术，可利用反应自身释放的高温维持反应持续进行，实现多元合金、复合陶瓷等复杂材料的一步合成，为高性能材料的高效制备提供了全新科学路径。
图1 航天航空发动机耐高温涂层（左）超高孔隙率多孔金属材料（右）
一、自蔓延高温合成技术介绍
自蔓延高温合成技术（Self-propagating High-temperature Synthesis, SHS）是一种利用化学反应自身释放的高热量，使材料合成过程实现自维持、自蔓延的先进制备技术。该技术起源于20世纪苏联科学家对"固相火焰"的系统研究，凭借其能耗低、反应速度快、工艺流程简单等突出优势，展现出显著的产业化潜力。
SHS技术的原理基于两个核心要素：
1. 强烈的放热反应：所选的反应体系（如金属-非金属粉末混合物）必须能够发生剧烈的放热反应，反应焓变（ΔH）为较大的负值。
2. 自维持的燃烧波：反应在局部被引燃后，释放出的反应热足以预热并引燃相邻的未反应区域。这样，一个被称为“燃烧波”的化学反应前沿，便会以波的形式自发地贯穿整个反应物坯体，将反应物转化为目标产物。
图2 SHS技术制备HfB2-HfSi2流程图
二、自蔓延高温合成技术研究现状
在现代工业对高性能材料需求持续升级的背景下，中国矿业大学冯培忠团队以钼（Mo）粉和硅（Si）粉为原料，团队通过自蔓延高温合成工艺精准制备二硅化钼（MoSi2）粉体，再结合粉末冶金工艺开发出耐高温抗氧化长寿型二硅化钼发热元件（硅钼棒）。该元件可适配高温工况需求，有效提升电炉使用温度并延长设备寿命，已在国内外半导体、耐火材料、特种焊接及军工等行业实现广泛应用，尤其在复杂形状MoSi2电热元件制备技术上达到国际领先水平。
图3 SHS合成技术反应过程图
同时，在多元材料体系开发上，采用低能量自放热反应快速合成出具有3D连通通道和39.79%高孔隙率的Co-Al-Cr金属间化合物，通过有效热（EHF）模型预测相生成顺序，并结合CT技术建立微观结构与腐蚀行为的关联，更好地满足了高温烟气净化材料高性能和低成本的双重要求。
三、未来展望
随着高端制造领域对材料性能要求的持续提升，自蔓延高温合成技术会向“更精密，更智能，更环保，更可控，更高端”的方向迈进。其应用边界也将从传统陶瓷、金属间化合物合成，进一步拓展至功能材料、国防领域、航空航天等新兴领域。在这技术演进关键时期，中国矿业大学的冯培忠教授成功申报了第十七届国际自蔓延高温合成会议在徐州的举办权，标志着我国在该领域的研究实力获得了国际同行的高度认可，这必将会搭建一个汇聚全球智慧的平台，不仅将加速计算机模拟、人工智能等前沿手段与SHS技术的深度融合，实现燃烧波传播与相转变等关键过程的可视化监测与精准调控，更将推动全球SHS技术基础研究、工程应用与产业转化的新一轮协同发展，展现出更加广阔的未来前景。
参考文献：
[1] 左蓓璘, 刘佩进, 张维海, 严启龙. 高温自蔓延反应合成功能材料的研究进展[J]. 含能材料, 2018, 26(6): 537-544.
[2] Zhichao Shang, Xiaoping Cai, Farshid Pahlevani, Yan Zheng, Akbar Hojjati-Najafabadi, Xinran Gao, Baojing Zhang, Peizhong Feng. The effect of Fe in the rapid thermal explosion synthesis and the high-temperature corrosion behavior of porous Co-Al-Fe intermetallic. Corrosion Science, 226 (2024) 111638.
[3] Lu Zhu,Shipeng Zhang ,Fan Ye,Xuanru Ren ,Peizhong Feng. Recycling of MoSi2-based industrial solidwastes for the fabrication and high-temperature oxidation behavior of MoSi2-ZrSi2-SiC composite coating. Composites Part B: Engineering. 274(2024)111281.
[4] Dalin Shi, Xiang Ji, Binbin Wu, Xuanru Ren, Peizhong Feng, Oxygen blocking enhancement of HfB2-SiC coating using HfB2-HfSi2 alloyed composite powders by self-propagating high-temperature synthesis, Ceramics International, (2023) 366679-36690.
[5] Shang Z C, Wang X H, Feng P Z, et al. 3D Microstructure and Corrosion Behavior of Porous Co-Al-Cr Intermetallic Fabricated via Rapid Low-Energy Self-Exothermic Reaction for Advanced Filtration Applications[J]. Separation and Purif Technol, 2025, 350: 124567.
[6] Weisheng Liu*, Peizhong Feng*, Xuanru Ren , Lu Zhu. Preparation of silicon boride SiBx (x=3, 4, 5, 6) powders by chemical oven self-propagating combustion synthesis. International Journal of Materials Research (formerly: Zeitschrift fuer Metallkunde). 2020, 111(10): 792-79