添加剂对Si粉直接氮化工艺中α-Si3 N4含量的影响

通常情况下,Si粉直接氮化法和自蔓延法所制得Si3N4粉体主要以β-Si3N4为主,而为了使Si3N4陶瓷有更好的烧结性能,需要得到高α相含量的Si3N4粉.本研究以Si粉直接氮化法为基础,通过添加NH4Cl、FeCl3来制备高α相含量的Si3N4粉.经XRD和SEM检测分析发现,添加适量NH4Cl、FeCl3可大幅提高Si3N4粉体中α-Si3N4的含量,最高可达88.3%,但FeCl3的含量过高时,则可显著降低α-Si3N4的含量.研究还发现添加NH4Cl、FeCl3还可降低Si粉发生氮化反应的起始温度.     

硅粉直接氮化反应合成氮化硅研究

研究了硅粉直接氮化反应合成氮化硅粉末的工艺因素(包括硅粉粒度、氮化温度、成型压力、稀释剂含量等),借助XRD,SEM等测试手段测定和观察了氮化产物的物相组成和断口形貌.研究结果表明:硅粉在流动氮气氛下,高于1200℃氮化产物中氮含量明显增加;在氮化反应同时还伴随着硅粉的熔结过程,它阻碍硅粉的进一步氮化,其影响程度与氮化温度、氮化速度,素坯成型压力及硅粉粒度等工艺因素有关.在硅粉素坯中引入氮化硅作为稀释剂,提高了硅粉的氮化率,使产物中残留硅量降低;同样在实际生产中可以通过控制适当热处理制度(如分段保温、慢速升温),达到硅粉的完全氮化.在生产中批量合成了含氮量为32.5%,残留硅量为0.05%,主要为α相,含少量β相的针状、柱状的氮化硅.     

硅粉氮化反应合成氮化硅

研究了硅粉直接氮化反应合成氮化硅粉末的工艺因素（包括硅粉粒度、氮化温度、成型压力、稀释剂含量等），借助XRD、SEM等测试手段测定和观察了氮化产物的物相组成和断口形貌。研究结果表明：硅粉在流动氮气氛下，高于1200℃氮化产物中氮含量明显增加；在氮化反应同时还伴随着硅粉的熔结过程，它阻碍硅粉的进一步氮化，其影响程度与氮化温度、氮化速度，素坯成型压力及硅粉粒度等工艺因素有关。在硅粉素坯中引入氮化，其影响程度与氮化温度、氮化速度，素坯成型压力及硅粉粒度等工艺因素有关。在硅粉素坯中引入氮化硅作为稀释剂，提高了硅粉的氮化率，使产物中残留硅量降低；同样在实际生产中可以通过控制适当热处理制度（如分段保温、慢速升温），达到硅粉的完全氮化。在生产中批量合成了含氮量为32．5％，残留硅量为0．05％，主要为α相，含少量β相的针状、柱状的氮化硅。     

高铝矾土-硅粉氮化合成SiAlON的过程研究

分别以w(Al2O3)为68.08%和45.56%的两种高铝矾土及硅粉为原料,按合成SiAlON的理论配比配料(Si粉过量5%),成型后在流动N2(流量为0.06~0.1m3.h-1)中进行热重分析,同时测定试样在不同温度(900~1500℃)保温6h后的质量变化,并分析氮化后试样的物相变化,从而探讨该试样的氮化过程及其机理。结果表明,高铝矾土-硅粉试样在流动N2中的氮化反应过程可大致分为3个阶段:1)Si粉氮化阶段(900~1200℃),Si粉氮化生成Si3N4和Si2N2O;2)SiAlON形成阶段(1300~1400℃),生成O’-SiAlON和β-SiAlON;3)β-SiAlON的生长发育阶段(1450~1500℃),部分O’-SiAlON转化为β-SiAlON,Al2O3在β-SiAlON中的固溶度增加。     

硅粉氮化输送床内气固反应过程数值模拟

以单个硅颗粒氮化反应缩核模型为基础,本文建立了硅颗粒在输送床内反应、辐射与对流传热耦合的数学模型,并借助CFD软件FLUENT对输送床内能质传输过程进行了数值模拟,分析了输送床壁面温度、氮气流量、预热温度、硅粉粒径等因素对输送床内温度场和硅粉氮化率的影响。在数值计算域内将单个颗粒反应过程转化为颗粒群整体反应过程,实时监测颗粒粒径及未反应硅颗粒粒径,为数值模拟颗粒流反应提供一种新思路。当壁面温度高于1723K时,输送床内会出现一高温区加速硅粉氮化反应;反应温度越高、颗粒粒径越小,氮化过程越剧烈,硅粉到达完全氮化所需时间越短。模型表明为使粒径为2.5μm的硅粉达到完全氮化且输送床内最高温度不超过氮化硅的分解温度2173K,应控制输送床壁面温度在1773K,氮化时间在170s以上,预热温度在1273K,粉气质量比为0.2,稀释剂比例为0.5~1。     

Fe对硅粉氮化的影响

以硅粉为原料,Fe和尿素作为添加剂,用直接氮化法制备氮化硅。经XRD和SEM分析,结果表明:在1350℃/10h的氮化条件下,所制备的Si3N4以α相为主,颗粒尺寸大约在1.8～4.5μm范围,平均尺寸为3.3μm。添加剂Fe和尿素对硅粉的氮化有一定的促进作用。     

高温氮化反应合成Ca-α-SiAlON

以Si粉、Al粉、Al2O3粉(α型和ρ型)和CaCO3为主要原料,采用高温氮化方法合成了Ca-αSiAlON,并对氮化后的试样进行XRD、SEM以及EDS分析,计算出了各试样中Ca-αSiAlON的相对含量。研究了氮化温度(1500℃和1550℃),保温时间(8h、12h和20h),CaCO3用量(理论用量、过量10%、过量20%),添加剂种类(Y2O3、TiO2、Fe2O3)及加入量(2%、3%、4%),αSi3N4晶种加入量(0、1%、3%、5%),Al2O3种类(α型和ρ型),Si粉和Al粉的用量(理论用量、过量10%)等工艺因素对Ca-αSiAlON合成量的影响。结果表明:(1)在1550℃氮化反应12h得到的合成产物中Ca-αSiAlON的相对含量最高,可达72.5%,其他物相为βSiAlON;(2)CaCO3加入量增多能够显著提高产物中Ca-αSiAlON的相对含量;(3)添加剂Y2O3、TiO2、Fe2O3均可促进Ca-αSiAlON的合成,其中Y2O3的促进作用最明显,TiO2次之;(4)αSi3N4晶种的引入能够显著提高Ca-αSiAlON的合成量;(5)Si粉和Al粉的量以及Al2O3种类对Ca-αSiAlON的氮化合成影响不明显;(6)SEM分析结果表明,合成的Ca-αSiAlON发育成柱状晶,长径比在3～10之间。     

氮化制度对Si-Al-Al2O3体系合成Sialon的影响

以SiC、α-Al2O3微粉、Si粉、Al粉为原料,在1450℃流动氮气中制备Sialon/SiC材料。研究了不同温度保温氮化对Sialon合成的影响。研究结果表明:有部分硅粉残余没有氮化;在1100℃保温氮化的氮化率高于在1150℃、1200℃保温氮化;1100℃保温氮化,残余Si量少、分布均匀,残余硅熔聚现象较轻,利于Sialon的合成。     

铁纳米颗粒催化氮化硅粉

以Fe纳米颗粒为催化剂,采用催化氮化的方法制备氮化硅。结果表明:加入2%的Fe纳米颗粒,1 350℃保温2h催化氮化后,试样中的残余硅含量小于5%,而相同条件下无催化剂的试样中,单质硅的残余率高达50%。催化氮化制得的Si3N4试样中存在大量的晶须状Si3N4,其直径在40~200nm,长度可达几微米至十几微米。Si3N4晶须的生长机理主要为气相--液相--固相机理与固相--液相--气相--固相机理。     

可加工氮化硅/氮化硼复相陶瓷的制备

以硅(Si)粉、六方氮化硼(h-BN)为原料,在氮气(N2)中用燃烧合成(combustion synthesis,CS)气固反应法,原位生成可加工氮化硅/氮化硼(Si3N4/h-BN)复相陶瓷.考察了h-BN不同体积分数(下同)对Si3N4/h-BN复相陶瓷可加工性的影响.结果表明:在实验条件下,Si粉氮化完全,不存在残余的游离Si.Si3N4/h-BN复相陶瓷中以柱状β-Si3N4为主相,β-Si3N4晶粒之间为针状h-BN相.随着h-BN相含量的增加,Si3N4/h-BN复相陶瓷的可加工性提高,抗弯强度先减小后增加.h-BN含量为25%时,Si3N4/h-BN复相陶瓷的抗弯强度最低.