21 июня 2001 года в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН в Черноголовке состоялась выездная сессия Отделения физикохимии и технологии неорганических материалов РАН, посвященная деятельности Института.

В работе сессии приняли участие 18 членов Отделения. Среди них академики В.В. Болдырев, В.М. Бузник, Е.М. Дианов, А.В. Елютин, Ю.А. Золотов, В.Т. Калинников, А.М. Кутепов, В.П. Ларионов, Н.П. Лякишев, Ю.Д. Третьяков, В.Я. Шевченко; члены-корреспонденты РАН В.Г. Бамбуров, В.М. Иевлев, Ю.К. Ковнеристый, Н.З. Ляхов, Е.П. Романов, В.Л. Столярова и Ю.В. Цветков. Заседания вел и. о. академика-секретаря Отделения академик Ю.А. Золотов.

В работе сессии участвовали также представители других институтов Отделения, представители руководства Научного центра РАН в Черноголовке (член-корреспондент РАН С.М. Алдошин) и ведущие сотрудники Института.

Первым участники заседаний заслушали доклад директора Института академика А.Г. Мержанова. Он рассказал об идеологии и методологии работ в Институте, истории становления научной проблематики и принятия организационных решений с выделением наиболее значительных эпизодов; об основных достижениях (крупным планом с примерами внедрения разработок Института в производство) и научной структуре Института (с комментариями тематики основных лабораторий). А.Г. Мержанов привел также сведения о хозяйственно-организационной структуре и деятельности Института; о действующих при Институте организациях (научные советы, редакции, кафедры, оргкомитеты); о международных и внутрироссийских научных и научно-организационных связях; о ближайших планах, в которых основное внимание уделяется работе с молодежью.

Затем был заслушан доклад руководителя Исследовательского центра СВС ИСМАН профессора И.П. Боровинской, в котором на примере ряда СВС-процессов было рассказано об оригинальных разработках керамических материалов и отдельных этапах пути — от научного открытия и выявления фундаментальных закономерностей до создания промышленных производств. Затем участники ознакомились с выставкой СВС-материалов и изделий и посетили ряд лабораторий. Профессор И.П. Боровинская познакомила с работами своей лаборатории по СВС-газостатированию и прямому получению многокомпонентной СВС-керамики, диагностике и моделированию процессов в СВС-реакторах, силовому СВС-компактированию твердых сплавов, а также опытным производством СВС-фильтров для очистки питьевой воды и др. Профессор В.И. Юхвид представил разработки алюминотермических СВС-процессов, технологии получения высокотемпературных расплавов и литых материалов. К.ф.-м.н. В.И. Пономарев продемонстрировал разработанную в лаборатории методику динамического рентгенофазового анализа. Д.ф.-м.н. А.С. Рогачев представил работы по исследованию горения и структурообразования в продуктах.

После этого заседания продолжились и было заслушано еще 4 доклада:

• профессора В.И. Юхвида
  Металлотермические СВС-процессы и их применение;
• профессора Ю.А. Гордополова
  Ударно-волновые воздействия на СВС-процессы;
• члена-корреспондента РАН В.В. Азатяна
  Самораспространяющийся цепной синтез наноразмерных порошков и пленок;
• д.ф.-м.н. А.С. Рогачева и к.ф.-м.н. В.И. Пономарева
  Фазо- и структурообразование в СВС-процессах.

Все доклады вызвали большой интерес и огромное число вопросов. Председательствующий Ю.А. Золотов даже пошутил, сказав, что академики ведут себя активно, как молодые специалисты. Встреча завершилась дискуссией и неформальными беседами, в ходе которых были даны высокие оценки деятельности Института в целом, профессиональному уровню его сотрудников и организации сессии.

В ходе дискуссии были высказаны и критические замечания. Выяснилось, что некоторые члены Отделения понимают сущность СВС-процессов иначе, чем авторы открытия и сотрудники Института, и в связи с этим ученый секретарь Института к.ф.-м.н. В.А. Веретенников провел беседу с одним из создателей метода СВС, директором Института академиком А.Г. Мержановым. Ниже приводится текст беседы.

В.А. Мне не раз приходилось слышать, что СВС и металлотермия — это одно и то же. Могли бы Вы прокомментировать это утверждение?

А.Г. Да, конечно. Металлотермия и СВС — это понятия принципиально разноплановые и сравнивать их нельзя. Термин металлотермия отражает химическую сущность реакции, а именно, окислительно-восстановительную природу взаимодействия оксидов с металлами-восстановителями. Термин же СВС отражает автоволновой характер протекания экзотермических реакций с твердыми в конечном состоянии продуктами. Эти понятия нужно не сравнивать и противопоставлять, а, наоборот, необходимо сочетать. Поэтому распространенный в настоящее время термин металлотермические СВС-процессы вполне корректен: он подразумевает металлотермические процессы, протекающие в автоволновом режиме. Справедливости ради надо отметить, что этому смыслу, в некоторой мере, отвечает другой, древний (и, на мой взгляд, не совсем удачный) термин — внепечные металлотермические процессы. Однако этот термин используется сейчас сравнительно редко.

Мне понравилось понимание вопроса, которое продемонстрировал в своем выступлении член-корреспондент РАН Евгений Павлович Романов. Он сказал примерно так: «В настоящее время произошло обобщение способных к самораспространению химических процессов различной природы (в том числе и металлотермических) под общим флагом СВС».

В.А. Другой вопрос. Академик Юрий Дмитриевич Третьяков сказал в своем выступлении, что все продукты СВС не равновесны, и в этом их главная особенность. Это и хорошо, так как ставит новые задачи для исследования и открывает новые возможности, и плохо, так как затрудняет их быстрое практическое использование.

А.Г. С первой частью этого высказывания я не согласен. Условия протекания СВС-процессов очень разнообразны, и можно получать как равновесные, так и неравновесные продукты. Это зависит от соотношения характеристических времен формирования структуры конечных продуктов и тепловой релаксации образцов после сгорания (остывания продуктов). Обычно в условиях СВС время остывания образцов достаточно для того, чтобы успела сформироваться равновесная структура синтезируемого материала, и часто мы имеем дело с равновесными СВС-продуктами. Можно сказать, что после горения происходит автоотжиг продуктов. Они в этом смысле похожи на продукты печного синтеза (но с некоторыми ценными особенностями). Время остывания продуктов горения можно уменьшить искусственно, принудительно охлаждая их и даже закаливая. В этих случаях можно получать неравновесные продукты с недостроенной конечной структурой. Я помню такой эпизод. В одном из первых опытов, проведенных И.П. Боровинской с целью синтеза нитрида бора при высоких давлениях азота (дело было еще в конце 60-х годов), произошел разрыв клапана и быстрый сброс давления, приведший к закалке продукта. В результате был синтезирован аморфный нитрид бора, который затем, после хранения в течение месяца, закристаллизовался. В этом случае методом СВС был синтезирован неравновесный продукт. Я согласен с Юрием Дмитриевичем, когда он говорит, что исследования неравновесных продуктов — очень интересное направление, и этому следует уделять большее внимание.

В.А. Заодно, Юрий Дмитриевич упрекнул Вас (точнее, всех наших сотрудников) во «всеядном» желании решать с помощью СВС все проблемы и призвал сосредоточиться на главных направлениях. Как Вы к этому относитесь?

А.Г. Пусть это будет нашей слабостью или, если хотите, недостатком. Вообще говоря, давать советы, чем надо заниматься, а чем не надо — дело неблагодарное. Я помню, в самом начале наших работ по СВС заведующий сектором горения и взрыва Института химической физики АН СССР, в составе которого мы находились, Федор Иванович Дубовицкий заставлял нас заниматься только синтезом кубического нитрида бора и настаивал, чтобы другие работы мы не вели. Если бы мы его послушали, то, уверен, сейчас СВС не был бы самостоятельной областью научно-технического прогресса с развитой инфраструктурой.

В.А. А нанопорошки? Надо ли стремиться получать их с помощью СВС?

А.Г. Во всем мире это уже делают. Но это непростая задача из-за высоких температур синтеза. У нас в Институте тоже есть первые результаты. Это синтез оксидных нанопорошков в цепных пламенах (работы члена-корреспондента РАН В.В.Азатяна). Можно также получать нанопорошки, используя «классические» варианты СВС-процесса. В экспериментах по синтезу нитрида алюминия было отмечено, что при горении алюминия в азоте в определенных условиях в продуктах горения образуются очень мелкие кристаллиты. С помощью оригинального приема — химического диспергирования, — при котором в специальных жидкостях растворяются только дефектные контакты между кристаллитами, «подспеченный» продукт горения превращается в порошок с размерами частиц порядка 100 нанометров (верхняя граница нанодиапазона). Это только начало. Сейчас в курируемую академиком Николаем Павловичем Лякишевым академическую программу «Наноматериалы», заявлен и принят соответствующий проект, но, повторяю, для СВС это непростая, но очень интересная проблема.

В.А. В своем докладе Вы говорили, что СВС прежде критиковали за неуправляемость процесса, неоднородность продуктов, за экономическую неэффективность. Как Вы отвечали на эту критику?

А.Г. Прежде всего, относительно неуправляемости. Конечно же, это не так. Процессом можно и нужно управлять. В большинстве случаев это необходимо делать, чтобы получать продукты хорошего качества. Возможны два способа управления. В периодических СВС-процессах управление ведется путем осознанного приготовления исходной шихты нужного состава и строения и выбора надлежащих условий горения, то есть регулированию подлежат исходные параметры СВС-процесса. В ходе синтеза вмешательства в протекание процесса не происходит. Для такого управления необходимы глубокие знания механизма и общих закономерностей СВС (во многом здесь помогают представления, развиваемые в структурной макрокинетике). Именно благодаря этому обстоятельству СВС относят к наукоемким технологиям. Есть и другой способ регулирования, классический. Это — изменение режимов горения в ходе самого процесса. Его можно применять для СВС-процессов непрерывного типа, когда в реактор непрерывно вводится шихта и непрерывно выводятся продукты. Такие процессы уже есть, но и их очень мало. Хотя развитие в этом направлении идет. Теперь...

В.А. Да, пожалуйста, о неоднородности продуктов.

А.Г. Это очень «богатый» вопрос. В СВС-процессах могут образовываться как неоднородные, так и однородные продукты. В стационарных условиях специально отработанных режимов (а их в автоволновых процессах много), каждая частица шихты испытывает примерно одинаковые температурно-временные изменения (хотя и со сдвигом во времени), что приводит в конце концов к пространственной макрооднородности продукта. Микронеоднородность продукта может возникнуть, если не обеспечена полнота сгорания. Но эта характеристика процесса легко поддается управлению. Воздействию подлежат многие факторы: это и автоколебания фронта, и неустойчивые режимы типа спиновых волн, и скорости фильтрационных процессов в гибридных системах типа пористое тело — газ и др. При грамотном подборе условий (что всегда возможно) продукты горения оказываются в достаточной мере однородными.

В настоящее время очень популярна другая, противоположная задача — получать продукты с заданной неоднородностью (такие, например, как функционально-градиентные материалы). СВС готов к решению таких задач (у нас и в литературе уже сейчас есть немало примеров). Я хочу сказать так: если хорошо понимать процесс, то с помощью СВС можно многое сделать, так как это — многопараметрический процесс, и существует много рычагов для управления. Но чтобы понимать, как это делать, нужен профессиональный подход к проблеме.

В.А. Все-таки, скажите несколько слов об экономике.

А.Г. Когда нас критиковали за экономику, мы были совершенно не готовы к дискуссии. Мы интуитивно чувствовали, что СВС — это полезный процесс. Оптимальное использование тепла химических реакций не может не дать выгоды. Мы чувствовали также, что критики перегибают палку, когда говорят что это всегда невыгодно. И мы научились считать с учетом стоимости сырья и стоимости технологического передела, с учетом затрат электроэнергии на синтез и даже на получение сырья. В общем, в каждом конкретном случае старались учесть все и стали квалифицированно разбираться в этом вопросе. В обобщенном виде суммарные выводы выглядят так:

1. Если исходное сырье (реагенты) одинаково, то СВС-процессы экономически выгоднее во всех случаях (это, пожалуй, очевидно).
2. Если в СВС-процессах речь идет о прямом получении материалов и изделий, минуя стадию получения порошков, то это тоже практически всегда выгодно, так как в СВС затраты на технологию намного ниже, чем в традиционных производствах...
3. Спорной является лишь технология порошков в случае, когда сырье для СВС и традиционного аналога сильно различаются по стоимости (в СВС оно часто бывает дороже). Здесь надо считать в каждом конкретном случае. Расчеты же показывают, что во многих случаях удорожание сырья компенсируется (с лихвой!) технологическими выгодами. Должен сказать, что мы очень благодарны за «экономическую» критику (хотя и не всегда справедливую), так как она нас многому научила.

В.А. Но все-таки, есть какие-нибудь недостатки у СВС-технологий, которые Вы признаете? Ведь часто бывает, что, выгадывая в одном, проигрываешь в другом.

А.Г. Не спорю. Главный (и, на мой взгляд, по большому счету, единственный) недостаток СВС-процесса в том, что он не универсален. Для его реализации необходимо, чтобы при взаимодействии реагентов выделялось много тепла, т.е., процесс должен быть экзотермическим. Это не печь, в которую можно поместить любую смесь. Здесь предъявляются особые требования к подбору реагентов. Они могут быть дефицитными, дорогими. В этом случае проводить СВС невыгодно. Но оказывается, что во многих случаях, представляющих практический интерес, складывается благоприятная ситуация, и СВС-технология приносит реальную пользу. Кроме того, надо иметь в виду и качество продукции, которое в СВС обычно выше. В этих случаях можно идти на экономические уступки.

В.А. Александр Григорьевич, спасибо за интересную беседу. Думаю, что сказанное Вами будет способствовать лучшему пониманию природы СВС и места этого процесса в технологии неорганических материалов. Хотите сказать что-нибудь в заключение?

А.Г. Да, спасибо. СВС — уже не новый процесс. Ему свыше 30 лет (около 35). За это время он прошел разные стадии взаимоотношений с традиционной технологией материалов — от полного неприятия до неполного признания. Тем не менее, СВС свое дело делает. Прежде всего, следует отметить, что к настоящему времени сложилось мировое сообщество в области СВС, признающее наш приоритет и лидерство. Оно объединяет несколько тысяч специалистов — ученых, технологов, производственников. Исследования ведутся в 47 странах мира (по данным ИСМАН — ИНФОРМ), публикуются около 700 статей в год (это означает, что каждый день в среднем выходят по две статьи). Издается специализированный международный журнал. Особенно хочется сказать о международных симпозиумах по СВС. Их проведено пять в разных странах (Алма-Ата-91, Гонолулу-93, Ухань-95, Толедо-97, Москва-99). Шестой состоится в октябре с.г. в Хайфе. Их тематика постоянно расширяется, а научный уровень растет. Наш Институт — главный организатор всех симпозиумов.

Резюмируя, можно сказать, что СВС завоевал свою собственную нишу в науке и технологии. Время абстрактных споров закончилось, так как уже имеются важные успехи в деле индустриализации метода (кстати, доклад на эту тему я буду делать на предстоящем Симпозиуме). Как говорится, критерий истины — практика. И мы смело движемся в нужном направлении.

В.А. Еще раз, спасибо.

А.Г. А я, в свою очередь, еще раз хочу поблагодарить участников прошедшей сессии, общение с которыми принесло нам несомненную пользу.