反应烧结氮化硅陶瓷简介

反应烧结氮化硅是以普通的硅粉作原料(每公斤2.5元),用一般陶瓷成型的方法制成素坯,在通氮气的炉子中将素坯进行初步氮化。经初步氮化的坯体,可在各种机床上进行车、钻、刨、铣等机械加工。再将加工好的部件在1350℃和1450℃的温度下进行最后氮化,就得到所需的氮化硅制品。在整     

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。     

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.     

硅粉微波烧结的热力学动力学计算

本文采用微波烧结工艺,将硅粉在氩气气氛下与氮气直接反应,合成了氮化硅粉,利用XRD手段对物相进行分析,并对硅粉氮化的过程进行了热力学及动力学上的计算,通过计算得出了硅粉直接氮化反应的活化能Ea及指前因子A,得出了硅粉微波烧结直接氮化反应为动力学控制反应的结论,解释了硅粉氮化反应只有在较高温度才能发生的原因。     

基于离子凝胶技术制备微米级氮化硅蜂窝陶瓷

利用海藻酸钠与Ca~(2+)之间的离子凝胶反应制备直通孔硅坯体,进而通过硅粉氮化烧结技术制备微米级氮化硅蜂窝陶瓷。分析了海藻酸钠浓度、原料硅粉含量对坯体成孔及孔径的影响,以及不同凝胶悬浮体的稳定性,并利用扫描电子显微镜和X射线衍射技术分析坯体及烧结体的显微结构和相组成。经过对海藻酸钠浓度和固相含量等进行优化,制备出平均孔径在20~60μm、孔径可调控的直通孔结构氮化硅蜂窝陶瓷,气孔率达到72.5%。     

氮化温度对直接氮化法制备氮化硅纤维材料显微结构的影响

用工业硅粉为原料,首先通过发泡法结合凝胶注模制备硅的多孔坯体,然后高温氮化制备氮化硅纤维材料,借助XRD和SEM研究氮化温度对该材料显微结构的影响。结果表明:在1 400℃氮化5 h,已经基本完全氮化,并且坯体在1 375℃发生了剧烈的反应。氮化硅纤维主要在气孔中生长,生成的氮化硅纤维均为纳米纤维,其直径在50～250 nm,长度约10μm。随着氮化温度的升高,氮化硅纤维逐渐增多,泡沫孔壁趋于消失,孔壁的消失是由于SiO的生成。氮化硅纤维生长遵循VS和VLS机制。     

氮气气氛下MgAl2O4/SiC材料的反应性能研究

为了研究氮气气氛下MgAl2O4/SiC材料的反应性能及硅粉的影响,将添加硅粉前后的MgAl2O4-SiC材料在流动氮气中经1600℃保温3h烧成,对烧结后的试样进行XRD、SEM和EDS分析.研究发现:两者材料的主要物相均为镁铝尖晶石、碳化硅、氮化硅.不添加硅粉的试样中生成的氮化硅呈长径比较大的纤维状,其生长过程符合VS生长机制;添加硅粉后的试样中生成的氮化硅根部呈柱状,顶部呈锥状,其生长是LS和VS生长机制共同作用的结果.另外,氮化烧成时MgAl2O4/SiC反应界面层中会发生离子互扩散,可能生成少量堇青石,并且C4-、Al3+、Mg2+较O2-、Si4+具有更大的扩散速度.     

反应烧结氮化硅陶瓷的连接

用硅粉、黏土、硅溶胶配制的浆料作为焊料,在1390℃氮化烧结过程中,对经过预氮化的氮化硅陶瓷进行无压反应烧结连接。实验表明：黏土的加入改善了焊料塑性,形成了较致密的接头,连接强度达到40MPa。焊料经反应烧结后生成了Si3N4和O′-sialon,与母材具有物理化学相容性。焊料／母材界面处形成了针状sialon晶体交织的网络结构,将焊料与母材互锁成为一个整体,起到很好的界面结合作用。焊料的反应烧结和焊料／母材界面反应都为溶解一沉淀机理控制。     

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。     

工艺参数对自蔓燃制备氮化硅粉体的影响

采用自蔓燃高温合成方法(self-propagating high-temperature synthesis,简称SHS)合成氮化硅粉体,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: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(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;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;NH4Cl在反应中分解,为反应提供了NH3,并与硅粉反应;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。此法较传统方法合成的氮化硅设备简单,成本低廉,纯度高,填充性好,烧结活性好。     

反应烧结氮化硅-碳化硅复合材料的氮化机理

为分析反应烧结氮化硅结合碳化硅(Si3N4-SiC)材料中微观结构和氮化硅分布不均匀的原因,对在隔焰燃气氮化梭式窑中应用反应烧结氮化方法制备的氮化硅结合碳化硅复合材料进行结构研究和热力学分析。结果表明:材料中的氮化硅以纤维状和柱状两种形状存在。Si的氮化机理为:Si首先被氧化成气态SiO,降低了体系的氧分压,当氧分压足够低时,Si与N2直接反应形成柱状Si3N4,气态SiO亦可与N2反应生成氮化硅,这是一个气-气反应,故生成的Si3N4为纤维状。氮化反应前SiO主要分布于材料孔隙和表面,因而生成的氮化硅分布不均匀,导致了反应烧结Si3N4-SiC材料结构的不均匀。     

浸渍工艺对反应烧结氮化硅结合碳化硅致密度的影响

以不同粒度的SiC、硅粉为原料,采用浇注成型制备反应烧结氮化硅结合碳化硅.选用不同浓度的硅溶胶、铝溶胶和氯化铝溶液,分别对坯体和1420℃氮气气氛下烧成后的试样进行真空浸渍.研究了烧前浸渍和烧后浸渍、浸渍液的种类和浓度等对试样氮化率、体积密度和显气孔率的影响.结果表明:对材料进行烧前浸渍和烧后浸渍均可以增加试样的致密度,但烧后浸渍的效果不如烧前浸渍;高浓度浸渍液不利于致密度的提高;在三种浸渍溶液中,烧前浸渍铝溶胶的试样氮化率提高最为明显,而浸渍氯化铝溶液的试样气孔率下降最为明显;综合考虑浸渍对致密度和氮化率的影响,采用烧前浸渍10％铝溶胶的试样效果较好.     

氮化硅陶瓷的两步气压烧结法

对氮化硅陶瓷的烧结工艺进行了深入的研究,经过比较,综合利弊,认为两步气压法是一种可靠和较为经济的烧结方法。 两步气压法又称无包套热等静压法,是国际上八十年代发展起来的一种烧结高性能陶瓷的方法。它首先在低压氮气氛中将陶瓷坯体烧至气孔完全闭合,然后加大氮气压力,进一步致密烧结。     

硅在刚玉-氮化硅系统中的作用

按氧化铝含量分别为 6 2 .5 %和 5 0 % ,氮化硅含量为 37.5 % ,硅含量分别为 0和 1 2 .5 %的配比将氧化铝、氮化硅和商品硅粉在小型球磨机上混合 2h ,充分干燥后加入约 4 %的蜂蜜混合均匀 ,压制成2 5mm× 2 0mm的样坯。样坯于 1 0 0℃干燥 2 4h后置于钼丝炉中 ,在埋炭并通以 4L·min- 1氮气的条件下分别于1 30 0℃、1 4 0 0℃和 1 5 0 0℃下保温 2h烧成。通过对烧成后试样的体积密度、显气孔率和常温耐压强度的测定以及XRD、SEM和能谱分析 ,重点研究了硅对刚玉 -氮化硅系统的强度、物相组成和显微结构的影响。结果表明 :在刚玉 -氮化硅系统中引入硅后 ,由于硅能在烧成过程中形成液相 ,因此能促进坯体的烧结 ,提高烧成试样的强度 ;硅在烧成过程中能反应生成絮状O’ SiAlON ,絮状O’ SiAlON交织于刚玉和氮化硅颗粒间 ,进一步增强了烧成试样的强度     

硅粉在高压氮气中自蔓延燃烧合成氮化硅

本文对硅粉在高压氮气中的自蔓延燃烧合成(SHS)氮化硅粉末的行为进行了详细研究。结果表明:(1)在遥当条件下,硅粉在SHS过程中可以完全氮化,生成氮化硅,产物含氮量高,含氧量低,但为β相;(2)在硅粉SHS反应中,必须加入适量的Si_3N_4晶种;(3)硅的SHS燃烧波传播速度随氮气压力升高、反应物填装密度减小而增大,但与反应物组成和样品直径无关;(4)燃烧波温度随氮气压力升高、样品直径增大而升高,与反应物组成和填装密度无关。此外本文对产物形貌与上述各实验因素的关系也进行了研究。     

硅铁粉粒度对合成氮化硅铁的影响

采用FeSi75为原料,利用直接氮化合成法制备了氮化硅铁粉末,研究了中位径(d50)分别为13.41μm、8.023μm和5.229μm的3种硅铁粉分别在1150℃、1250℃和1350℃保温9h处理后的氮化规律。借助XRD、SEM等测试手段测定和观察了产物的物相组成和显微形貌。结果表明:较细的硅铁粉(d50=5.229μm)氮化时,反应快速、剧烈,导致烧结严重,氮化效果差,而较粗硅铁粉(d50=13.41μm)氮化效果较好;较细硅铁粉氮化后易于形成须状、纤维状和柱状氮化硅晶体,较粗硅铁粉氮化后易于形成球状氮化硅团聚体。制备的氮化硅铁中有大量充满氮化硅的孔洞,产物中的Fe3Si与FexSi被其包围,这种结构有利于体现氮化硅铁的优异性能。     

反应烧结氮化硅-碳化硅

以Si+C作为原料,研究了反应烧结氮化硅-碳化硅,测量了一些物理性能和高温强度。这种材料与反应烧结氮化硅相比,能使尺寸较厚的制品氮化完全。X射线分析指出,这种材料是由大量的α-Si_3N_4和少量β-Si_3N_4、β-SiC组成。对碳的作用进行了初步讨论。     

初始硅粉粒度对自蔓延高温合成氮化硅的影响

研究了平均粒度分别为２,７．８和１５．４μｍ的３种初始硅粉在氮气中的燃烧氮化规律。初始硅粉粒度越细,则在氮气中的燃烧温度高越高,燃烧滤蔓延速度越快,激活能也越低;较细的硅粉表面的硅蒸发通量大,ｐｓｉ高,易于形成延长方向与硅粉表面垂直的针状或柱状、纤维状晶体;而较粗的硅粉则易于形成氮化硅包覆层,且可以通过“包覆爆裂”机制继续进行二次氮化。较细的硅粉在氮气中的燃烧温度曲线上只出现一次燃烧峰,而较粗的硅     

氮化硅粉末制备新技术

本文介绍了氮化硅陶瓷对氮化硅粉末烧结原料的特性要求，述评了SiO2还系氮化法，硅亚胺热分解法、高温气相反应法，激光气相反应法和等离子体气相反应法等五种氮化硅粉末的制备新技术。     

催化氮化制备氮化硅粉体

氮化硅陶瓷由于具有优良的机械性能、化学性能和物理性能而被广泛应用于化工、冶金及航天等领域.催化氮化法制备氮化硅可以有效避免“硅芯”及“流硅”等不完全氮化形为的发生;并促进氮化硅晶须的原位反应合成,改善氮化硅基材料界面的显微结构,提高最终制品的力学性能.本文综述了金属及金属氧化物催化剂催化氮化反应生成氮化硅的最新进展及一维氮化硅的原位生成机理,并在此基础上展望了催化氮化制备氮化硅工艺今后的发展方向.