氮气压力对Si3N4-SiC-TiN陶瓷自蔓延燃烧合成的影响

以TiSi₂为反应原料, SiC 作稀释剂, 利用自蔓延高温合成(SHS) 方法合成Si₃N₄2SiC2TiN 复相陶瓷。计算了氮气压力对毛坯反应物理论转化率的影响, 并在50 、100 和150 MPa 三种氮气压力下进行了燃烧合成。结果表明, 孔隙率为50 vol %的压坯在三种条件下反应都比较完全, 反应物转化率随氮气压力增加而提高。而孔隙率为40 vol %的压坯在较低氮气压力下燃烧反应变得不完全, 产物中残留大片Si 。当压力为150 MPa 时产物中未出现单质Si 。说明氮气压力增大有利于氮气向反应前沿的渗入, 进而提高反应物的转化率。      

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.     

Si3N4晶体的压电性能第一性原理研究

Si3N4是一种具有多种优越物化性能的多功能材料.采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算对Si3N4的高低温相(β、α)进行了对比研究.对于α相,计算得晶格常数a=0.7678nm、c=0.5566nm,弹性刚度系数c11=4.232×1011N/m2、c33=4.615×1011N/m2,压电应变常量d33=0.402pC/N;而对于β相,a=0.7536nm、c=0.2874nm,弹性刚度系数c11=4.241×1011N/m2、c33=5.599×1011N/m2,压电应变常量则几乎为零.分析表明Si3N4的α、β两相均为高硬高强材料,这与其结构由四面体组成的网络架构有关.而Si3N4高低温相的压电性能都很差,特别是β相的压电系数几乎为零,这与其结构的对称性有关,高温相结构的对称性更高,形变引起的离子位移响应抵消更多.     

气体流量比对反应溅射Si3N4薄膜的影响

利用射频磁控反应溅射法,以高纯Si为靶材,高纯N2气为反应气体,在Si衬底上制备出了Si3N4薄膜,研究了气体流量比对薄膜质量的影响.结果表明,薄膜的沉积速率主要与气体的流量比有关,随着气体流量比的增加,沉积速率下降,靶面的溅射由金属模式过渡到氮化物模式;薄膜中N/Si的原子比增加;红外吸收谱的Si-N键的振动峰向标准峰逼近.     

g-C3N4及改性g-C3N4的光催化研究进展

聚合型半导体材料g-C3N4因其优异的物理性能和光电性能成为当今研究的热门材料。本文从结构分析和理论计算角度讨论了g-C3N4能够作为无金属催化剂的原因,综述了介孔g-C3N4、无机元素掺杂g-C3N4、金属负载g-C3N4、g-C3N4/金属氧化物复合物和有机改性g-C3N4等不同改性g-C3N4的制备和性质,着重分析了他们催化光解水析氢反应的机理、影响因素及研究进展,并阐述了今后的研究方向。     

Si3N4/hBN复相陶瓷的研究现状及进展

Si3N4/hBN复相陶瓷凭借优良的综合力学性能,逐渐成为人们研究的热点。从制备工艺和性能出发阐述了国内外Si3N4/hBN复相陶瓷的研究现状,分析了各种制备方法的优缺点以及hBN含量对Si3N4/hBN复相陶瓷的可加工性能、力学性能、介电性能、摩擦学性能的影响,并指出简化工艺、降低烧结温度、hBN含量与性能定量表征等可能是今后的发展方向。     

1450℃反应烧结Fe3Si-Si3N4复合耐火材料的相组成

以Si粉和Fe₃Si-Si₃N₄为原料,在高纯N₂气氛下制备Si₃N₄/Fe₃Si-Si₃N₄复合材料。氮化烧成后Si₃N₄结合Fe₃Si-Si₃N₄复合耐火材料试样中物相为Si₃N₄、Fe₂Si、FeSi和Si₂N₂O。其中Si₂N₂O含量约6%,且在试样中心和外部分布不均匀。Fe₃Si-Si₃N₄原料是Fe₃Si和Si₃N₄两相共存材料,热力学评估和材料的微观结构分析表明,Fe₃Si和部分Si粉形成新的低熔点硅铁合金,使靠近试样表面部位的部分开口气孔被液态硅铁合金所堵塞或填充,试样中心部位的微量氧不能迁移至外部,N₂中微量氧将Fe₃Si-Si₃N₄原料中Si₃N₄氧化,形成Si₂N₂O包裹,导致试样中心Si₂N₂O含量比边缘部位高。Si₂N₂O的形成使体系氧分压降至Si₃N₄稳定存在的氧分压时,Si粉直接氮化形成柱状Si₃N₄,而非纤维状Si₃N₄,同时在1 450℃氮化烧成条件下,Fe的存在促进了α-Si₃N₄向β-Si₃N₄的转变。     

反应溅射HfC/Si3N4纳米多层膜的微结构与力学性能

通过反应磁控溅射制备了一系列不同Si3N4层厚的HfC/Si3N4纳米多层膜,采用X射线光电子能谱、X射线衍射、扫描电子显微镜和微力学探针表征了多层膜的微结构、硬度与弹性模量,研究了Si3N4层厚度变化对纳米多层膜微结构与力学性能的影响。结果表明,溅射的Si3N4粒子不与C2H2气体反应,因NaCl结构HfC晶体调制层的模板效应,溅射态为非晶的Si3N4层在厚度小于约1 nm时被强制晶化,并与HfC晶体层形成共格外延生长结构,多层膜呈现强烈的(111)择优取向柱状晶,其硬度和弹性模量显著上升,最高值分别达到38.2 GPa和343 GPa。进一步增加Si3N4层的厚度后,Si3N4层转变为以非晶态生长,多层膜的共格外延生长结构受到破坏,其硬度和模量也相应降低。     

无压浸渗制备梯度Si3N4/Al复合材料

采用Al-Mg合金无压渗入具有梯度孔隙分布的Si3N4多孔预制体,制得大尺寸、梯度Si3N4/Al复合材料;对复合材料的显微组织,相组成,硬度进行了观察和测定,分析了层间铝合金薄层在释放梯度层间应力的作用,并采用SHPB装置对梯度复合材料进行动态压缩试验.试验结果表明梯度复合材料层间结合紧密,硬度从HRA80.5逐层过渡到HRA61.5,主要组成相为Al,Si3N4,AlN和Mg2Si;梯度复合材料在动态压缩过程中表现出较高韧性.     

一维碳化硅纳米材料的研究进展

介绍了具有一维纳米结构的碳化硅(SiC)如SiC纳米棒、纳米线、纳米管、纳米带的制备方法,着重介绍了碳纳米管模板生长法、碳还原法、激光烧蚀法、电弧放电法、流动催化剂法和热解有机前驱体法以及它们的生长机理,并对这几种方法的优缺点进行了分析,指出了目前研究一维纳米SiC中存在的问题和未来发展方向.     

一维TiO2纳米材料的制备及其光催化性能研究

采用水热法,通过改变水热温度成功制备出一系列一维TiO₂纳米管、纳米线和纳米带。运用X射线衍射、透射电子显微镜、N₂吸附-脱附和紫外-可见光谱等手段表征了材料的结构和性质,并考察了一维TiO₂样品光催化降解气相苯的活性。结果表明,一维TiO₂纳米材料具有较高的比表面积,光吸收出现明显的“蓝移”,光催化活性较P25有所提高,其中140 ℃水热温度下制备出的TiO₂纳米管的光催化活性最佳,80 min内对气相苯的去除率为77%,终产物CO₂的浓度为625 mg/m³。     

二元碱金属共掺杂石墨相氮化碳的制备及光催化性能评价

以三聚氰胺为母体、以双组分碱金属为熔盐制备了钾-钠共掺杂石墨型氮化碳(g-C₃N₄)光催化剂,并用X射线衍射光谱(XRD)、紫外可见光谱(UV-Vis)、N₂吸附脱附、X光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)等分析手段对产物进行了表征。结果表明,通过改变碱金属熔盐量,能将氮化碳价带(VB)能级从+1.55 V调控到+2.27 V、导带(CB)能级从-1.10 V调控到-0.27 V,同时碱金属的引入抑制了氮化碳晶粒的生长,降低了光生电子-空穴对的复合概率,提高了氮化碳的比表面积以及对可见光的吸收。以罗丹明B(RhB)为目标物研究了系列氮化碳在可见光驱动下的催化能力,实验结果表明,二元碱金属的掺入大大提高了催化剂降解和矿化罗丹明B的能力,并表现出良好的稳定性。     

铁酸锌作为光催化剂的研究进展

铁酸锌是具有较高光催化活性及对可见光敏感的n型半导体,其独特的磁性能和化学稳定性使其在光催化领域有着广泛的应用。针对不同形貌的铁酸锌,采用不同的改性方法,可将其与其他材料结合制备出更为高效、实用的光催化剂。近年来,利用铁酸锌的特性,制备磁性可回收且性能稳定的复合光催化剂引起了科研人员的广泛关注。概述了铁酸锌作为光催化剂的基本性质,对不同形貌铁酸锌的制备方法进行了总结,并重点讨论了铁酸锌在光催化方面的改性技术及改性机理,最后对目前存在的问题和未来的研究方向做了简要的总结和预测。     

自蔓燃高温合成氮化硅粉体的研究

研究了自蔓燃高温合成方法制备氮化硅粉体,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硅粉粒度、氮气、温度、稀释剂与孔隙率等方面对反应产物的影响,并对反应机理进行了分析。由于有添加剂氯化铵的存在,反应中不是单纯的硅粉氮化反应。只要控制反应中的工艺参数,就可以采用自蔓燃得到不同相含量的Si3N4粉体;考虑到燃烧温度,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;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%,否则反应不能进行金属硅粉的粒度细,合成的Si3N4中α相含量高。     

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。     

一维β-SiAlON材料可控合成

以Si粉、Al粉和Al₂O₃粉为原料压制成条样, 在1650~1850 K氮气和埋Si₃N₄颗粒气氛下分别合成了β-SiAlON晶须、带状和柱状晶, 并系统研究了一维β-SiAlON材料可控合成条件, 进而结合热力学分析了一维β-SiAlON材料的生长机制。结果表明: 以Si粉、Al粉和Al₂O₃为原料, 在氮气(纯度99.9%)和埋Si₃N₄颗粒气氛下在1650~1850 K保温6 h, 可以合成不同形貌的一维β-SiAlON材料。生长温度是一维β-SiAlON材料形貌控制的关键因素。生长温度为1650 K时, 合成了β-SiAlON晶须, 晶须直径200~400 nm, 长径比100~1000; 生长温度在1700~1800 K时, 可以合成β-SiAlON带状晶体, 厚度为200 nm, 宽度为1~4 μm, 长宽比在10~20之间; 生长温度升高至1800 K时, 出现大量柱状晶体。结合晶须显微结构形貌和热力学分析, β-SiAlON晶须的生长机制为气-固(VS)生长机制。     

pH controlled dispersion and slip casting of Si3N4 in aqueous media

The dispersion characteristics of commercial Si₃N₄ powder in aqueous media (deionized water) was studied as a function of pH in the range 2–11. The slip was characterized for its dispersion quality by various experimental techniques like particle size analysis, sedimentation phenomena, viscosity and flow behaviour and zeta potential analysis. The optimum dispersion was found to be in the pH region 9–11 wherein the slurry displayed minimum sedimentation height, minimum viscosity, near Newtonian flow behaviour and maximum zeta potential. The slip is highly agglomerated in the pH range 2–8 as manifested by higher sedimentation height, higher viscosity, lower zeta potential and thixotropic non-Newtonian flow behaviour. The 72 wt% (44 vol.%) Si₃N₄ slips made at pH = 10 resulted in green bodies having 53–59% of theoretical density after casting into plaster molds.     

Structure of double interfaces system of Si3N4/SiO2/Si irradiated by γ-rays

The interfacial structures of double interfaces system of Si₃N₄/SiO₂/Si were examined using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) before and after ⁶⁰Co radiation. The experimental results demonstrate that there existed two interfaces, one consisted of Si₃N₄ and SiO₂, while another was made of Si and SiO₂, the interface between SiO₂ and Si was extended towards the interface of the Si₃N₄/SiO₂ meanwhile the center of the former interface was removed in the direction of the latter interface by ⁶⁰Co. The concentration of silicon in the Si₃N₄ state (BE 101.8 eV) was decreased with the variation of radiation dosage as well as bias field within the SiO₂-Si interface, remarkably. The mechanism for the experimental results is analyzed.