自蔓燃高温合成工艺参数对制备氮化硅粉体的影响

采用自蔓燃高温合成方法(SHS)合成氮化硅粉体,借助于XRD、SEM等检测方法,分析了自蔓燃高温合成氮化硅过程中氮气、温度、稀释剂与孔隙率等工艺参数对合成产物的影响。结果表明:只要最高燃烧温度不高于相应氮气压力下Si3N4的热分解温度,就可以用SHS方法合成Si3N4;氮气压力下硅粉的自蔓燃合成反应,必须要引入Si3N4稀释剂来控制反应温度,获得高α相Si3N4含量的粉体。压坯气孔率控制在30%～70%,否则反应不能进行。SHS法可以制备纯度很高的氮化硅粉体。     

自蔓燃高温合成法合成氮化硅粉体的研究

采用自蔓燃高温合成方法合成β-氮化硅粉体,分析了合成氮化硅过程中氮气、温度、稀释剂与孔隙率等方面的影响。采用XRD研究相的组成,用SEM观察粉末的显微结构。研究结果表明:自蔓燃合成方法制备的氮化硅陶瓷粉体,β相含量由块状产物中心向表层减少,得到的β-氮化硅晶体结构完整,表面光滑无缺陷,考虑到燃烧温度(Tcom),在氮化硅粉体的合成过程中,涉及到3个反应机制:低温机制、中温机制、高温机制。NH4Cl在反应中分解,为反应提供了NH3,并与硅粉反应;氮气压力下硅粉的自蔓燃合成反应,必须要引入Si3N4稀释剂来控制反应温度和反应速度,获得不同相含量的粉体;压坯气孔率控制在30%～70%,否则反应不能进行。     

燃烧合成Si3N4和SiC复相材料的相稳定性热力学分析

为了提高Si3N4产率和降低成本,采用硅粉、氮气作为原料,碳、二氧化硅作为稀释剂,卤化铵作为化学激励剂,通过机械活化和化学激励法燃烧合成制备Si3N4和SiC复相原料。热力学分析表明:特定的工艺条件下氧化硅和碳替代氮化硅作为稀释剂,当氧化硅和碳含量约30wt%时,能得到氮化硅和碳化硅复合陶瓷粉体。以碳的活度为1计(ac=1),燃烧合成时两者稳定共存的温度为1647K;同时,增大氮气压力和降低氧分压是硅粉完全氮化的条件,而不宜提高合成温度。当满足特定工艺条件时(原料加入量为9%Si3N4及15%淀粉和SiO2的混合物、氮气压力大于3MPa、5小时磨研),燃烧合成产物的主晶相为Si3N4、SiC和Si2N2O,而无游离硅,此产物是烧结Si3N4和SiC复合陶瓷或制备Si3N4结合SiC耐高温材料的理想原料。     

以AC发泡剂为添加剂燃烧合成α-Si3N4粉体

以硅粉和Si3N4粉体为反应剂,偶氮二甲酰胺(AC发泡剂)为添加剂,利用燃烧合成技术在较低氮气压力下制备了高α相含量的Si3N4粉体.采用X射线衍射和扫描电镜分别对产物的物相组成及显微结构进行了表征,研究了AC发泡剂对α相Si3N4粉体的形成和产物颗粒形貌的影响.结果表明,AC发泡剂能促进硅粉快速氮化,产物中α-Si3N4的含量随着AC发泡剂添加量的增加而增加.当AC发泡剂的添加量为24wt%时,产物中α-Si3N4的含量高达85.2wt%.对AC发泡剂作用下的燃烧合成Si3N4的反应机理做了初步探讨,研究表明:AC发泡剂的分解产物N2、CO、NH3不仅增加了坯体的透气性,而且改变了燃烧反应的传热和传质路线,从而促进了硅粉快速氮化和α-Si3N4粉体的生成.     

自蔓延高温合成Y-α/β-Sialon粉末

本文通过组成设计，以Si、Al、Y2O3为原料，Si3N4为稀释剂，利用自蔓延高温合成法（SHS）制备了Y－α／β－Sialon粉末；并利用XRD、化学分析法分别研究了α－Sialon简称α′）、β－Sialon简称β′）相组成和游离硅含量；且详细讨论了氮气压力、稀释剂含量对生成物Y－α／β－Sialon中的α′、β′相及残余硅含量的影响．     

碳热还原-反应烧结法制备多孔氮化硅陶瓷

以廉价的二氧化硅、炭黑和硅粉为起始原料,利用碳热还原–反应烧结法制备了高气孔率、孔结构均匀的多孔氮化硅陶瓷,考察了原料中硅粉含量对多孔氮化硅陶瓷微观组织和力学性能的影响。XRD分析表明烧结后的试样成分除了少量的-Si3N4相和晶间相Y2Si3O3N4外,其余都是β-Si3N4相;SEM分析显示微观组织由棒状β-Si3N4晶粒和均匀的孔组成。通过改变硅粉的含量,制备了不同气孔率,力学性能优异的多孔氮化硅陶瓷。     

Si粉在空气中燃烧合成Si3N4粉体

经20h机械活化后的Si粉，在空气中可以实现自燃烧合成反应，并表现出二次燃烧现象．燃烧产物的表层与内部具有显著不同的特征，表层产物中以α-Si3N4为主相，并有少量Si2N2O相和非晶SiO2共存，内部为整块的灰白色松散Si3N4粉体，其相组成与反应条件有关．本文研究了经机械活化（MA）处理后的硅粉在空气中燃烧反应的整个过程，证实了机械活化处理后的Si粉在空气中燃烧的可行性，分析了燃烧产物主要是Si3N4而不是SiO2的原因，并通过调整成份实现了对产物相组成的控制．     

机械活化-化学激励法燃烧合成α-Si_3N_4

为了制备高α-Si3N4含量的原料,在机械活化-化学激励法燃烧合成氮化硅工艺中,研究了机械活化时间、氮气压力、稀释剂和化学激励剂等因素对燃烧合成产物的影响。结果表明:通过机械活化把硅粉研磨至亚微米级,能提高硅粉的表面能,有助于在加入大剂量铵盐时燃烧合成α-Si3N4,但机械活化时间太长会导致铵盐分解流失,研磨时间不宜超过5h;当铵盐加入量大于18%后,燃烧波将不稳定;稀释剂的加入量应控制在40~60%。通过产物微观形貌分析知,在控温活化燃烧合成α-Si3N4时存在VC和VLS两种反应机理。     

工艺参数对铁尾矿合成Si_3N_4粉的影响

以铁尾矿和碳黑为原料,采用碳热还原氮化法合成Si3N4粉.利用X射线衍射法测定产物相组成及相对含量,研究了合成温度和恒温时间对反应过程的影响.结果表明,合成温度对碳热氮化合成Si3N4粉的影响显著,随合成温度的升高,产物中Si3N4相含量增加,1450℃时Si3N4相含量最高,是最佳的合成温度.恒温时间对产物相组成的影响不大,但适当延长恒温时间可使还原氮化反应进行得更充分,恒温8h时产物中Si3N4含量最高,是较理想的恒温时间.合成过程中SiO的挥发导致试样较大的质量损失,且随恒温时间的延长而增大.     

Si3N4-SiC-TiN陶瓷燃烧合成工艺研究

以TiSi2和SiC为原料,利用SHS方法合成Si3N4-SiC-TiN复相陶瓷.在不同稀释剂含量及氮气压力下进行燃烧合成,计算了毛坯转化率和产物相对密度,并对产物进行了XRD分析.结果表明,氮气压力增高有利于提高转化率及产物相对密度.反应物转化率随稀释剂含量增加而增大.孔隙率为53%(体积分数)毛坯,稀释剂SiC含量为35%(质量分数)压坯相对密度达到最大值,且当稀释剂含量高于35%(质量分数)时,SiC发生氮化反应,生成Si3N4和C.     

Effect of Auxiliary Gases on Combustion Synthesis of Si3N4

1.IntroductionSi3N4-based materials have become one of main engi-neering ceramics due to its outstanding properties.It isconsidered generally that powders with high percentagesofα-Si3N4and low oxygen content are needed for sinter-ing silicon nitride of high performances.The demand forα-Si3N4powder is continuously growing,therefore sim-pler and lower cost methods of its production are be-ing studied intensively.The most widely used industrialtechnologies forα-Si3N4powder production are di…     

SiC-Si_3N_4复合材料力学性能的研究

采用硬度和三点抗弯强度研究了用自蔓延燃烧合成SiC-Si3N4复合材料的力学性能。实验结果显示,当SiC质量分数为15%时,复合材料性能较好。同时比较了上述复合材料与同样质量分数的机械混合粉制备的SiC-Si3N4陶瓷材料的机械性能。结果显示,混合粉制备的复合材料性能优于直接合成复合材料的性能。     

规则结晶形态氮化铝颗粒的自蔓延高温合成

以铝粉和AlN粉末为原料，按重量比60／40的比例进行混合，加入3wt％NH4F和3wt％碳黑，在8MPa的氮气气氛条件下进行高温自蔓延合成，合成产物为具有良好结晶形态的规则AlN颗粒．采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)研究了加入NH4F和碳黑后合成产物形态和物相的变化情况．研究结果表明同时加入NH4F和碳黑使得燃烧过程出现了后烧现象，即样品可以维持在高温阶段较长的时间，促进了AlN气相的传输，最终使得AlN颗粒以较为规则的外形生长．     

Self-Propagating Reactions in the Ti–Si System: A SHS-MASHS Comparative Study

In this work, we report on the self-propagating reaction in Ti–Si blends, observed by SHS and MASHS (mechanical activated SHS) techniques. In spite of the differences between the two reacting methods, correlations were found between the key parameters of the two modes of activation. Moreover, this comparative study enabled us to gain some hints on the reaction mechanism. The combustive behavior of powder mixtures with stoichiometries corresponding to the intermetallics present in the Ti–Si phase diagram (TiSi₂, TiSi, Ti₅Si₄, and Ti₅Si₃) was studied. The SHS characteristics, such as combustion temperature, propagation rate, and ignition temperature was strongly dependent on both the initial stoichiometry and milling time. Particular attention was paid to the influence of the initial stoichiometry and milling conditions on the reaction mechanism. A single-step dissolution-precipitation mechanism was found for the composition Ti : Si = 5 : 3. On the other hand, at the composition Ti : Si = 1 : 2, the mechanism shows two steps, the first, active at the leading front of the combustion front, involving only solid phases, and the second, active in the afterburn region, involving solid–liquid interaction.     

A numerical study of the heterogeneous porosity effect on self-propagating high-temperature synthesis (SHS)

Self-propagating high-temperature synthesis (SHS), or the so-called micropyretic/combustion synthesis, is a technique whereby a material is synthesized by the propagation of a combustion front across a powder. Heterogeneous distributions of porosities are common during self-propagating high-temperature synthesis when powders are pressed and the conventional modeling treatments thus far have only considered uniform systems. Heterogeneities in the porosity are thought to result in local variations of such thermophysical/chemical parameters for the reactants as density and thermal conductivity further changing the combustion temperature, the propagation velocity, and the propagation pattern of a combustion front. This study investigates the impact of porosity variations during self-propagating high-temperature synthesis with Ti + 2B. In addition, the simulations for the propagation of combustion fronts across a non-uniform compact where the porosity is monotonically decreased or increased along the specimens due to die wall friction are also carried out.     

硅粉在高压氮气中自蔓延燃烧合成氮化硅的反应机理

本文对Ｓｉ粉在高压氮气中自蔓延燃烧合成（ＳＨＳ）Ｓｉ３Ｎ４的反应机理进行了研究。燃烧反应中Ｓｉ以蒸汽形式与Ｎ２在Ｓｉ３Ｎ４晶种表面反应，反应分为两个主要阶段：（１）动力学反应阶段：Ｓｉ蒸汽不需经过扩散直接与Ｎ２进行反应，反应速度快；（２）扩散控制反应阶段：Ｓｉ蒸汽经过Ｎ２气层扩散到Ｓｉ３Ｎ４晶种表面与Ｎ２反应，反应受扩散控制，速度较慢。     

自蔓延高温合成氮化硅多孔陶瓷的研究进展

多孔氮化硅陶瓷兼具有高气孔率和陶瓷的优异性能, 在吸声减震、过滤等领域具有非常广泛的应用。然而, 目前常规的制备方法如气压/常压烧结、反应烧结-重烧结以及碳热还原烧结存在烧结时间长、能耗高、设备要求高等不足, 导致多孔Si₃N₄陶瓷的制备成本居高不下。因此, 探索新的快速、低成本的制备方法具有重要意义。近年来, 采用自蔓延高温合成法直接制备多孔氮化硅陶瓷展现出巨大潜力, 其可以利用Si粉氮化的剧烈放热同时完成多孔氮化硅陶瓷的烧结。本文综述了自蔓延反应的引发以及所制备多孔氮化硅陶瓷的微观形貌、力学性能和可靠性。通过组分设计和工艺优化, 可以制备得到氮化完全、晶粒发育良好、力学性能与可靠性优异的多孔氮化硅陶瓷。此外还综述了自蔓延合成多孔Si₃N₄陶瓷晶界相性质与高温力学性能之间的关系, 最后展望了自蔓延高温合成多孔Si₃N₄陶瓷的发展方向。     

燃烧合成AlN-TiC陶瓷及致密化机理分析

采用ＳＨＳ工艺,在１００ＭＰａ高压氮气下,制备了致密的ＡＩＮ－ＴｉＣ陶瓷,相对密度达９５％,抗弯强度达２４０ＭＰａ,研究表明,ＡＩ－Ｎ２－ＴｉＣ体系ＳＨＳ ,当反应温度升至６６０℃时,ＡＩ熔化,高温下熔融ＡＩ在ＴｉＣ表面发生漫流现象,在ＳＨＳ反应区发生液相烧结,从而增加,液相烧结使用增强,产物致密度显著提高,抗弯强度及断裂韧性提高。Ａｌ－Ｎ２－ＴｉＣ体系的ＳＨＳ致密化主要发生在燃烧波蔓延方向,具有