硅复合刚玉-氮化硅材料的性能、组成及显微结构

将由50% (质量分数,下同)氧化铝粉、37. 5%氮化硅粉和12. 5%硅粉组成的混合料和由62. 5%氧化铝粉和37. 5%氮化硅粉组成的混合料分别压制成试样,分别在空气和埋炭气氛中于1600℃保温2h烧成,然后检测试样的体积密度、显气孔率和常温耐压强度,并采用XRD、SEM、EDS等手段分析试样的物相组成和显微结构。结果表明:与未加硅粉的试样相比,加入硅粉的试样在两种气氛中烧成后,显气孔率较低,强度较大,说明硅对刚玉-氮化硅材料具有助烧结作用;在空气中烧成后,试样中残留有较多的单质硅,这些单质硅均匀分布于刚玉和氮化硅颗粒的空隙间;在埋炭气氛中烧成后,单质硅原位反应生成了O’SiAlON和SiC。     

凝胶注模成型制备刚玉-尖晶石耐火材料

以板状刚玉颗粒和富铝尖晶石细粉为主要原料 ,以含丙烯酰胺 (AM)、N ,N’ -亚甲基双丙烯酰胺 (MBAM)和分散剂AN - 2 0 0 0的水溶液为预混液 ,制备出临界粒度为 3mm ,固相体积分数为 80 %的刚玉 -尖晶石混合浆料 ,加入引发剂过硫酸铵(APS)和催化剂N ,N ,N’ ,N’ -四甲基乙二胺(TEMED)快速搅拌混合 15s后注入钢模中 ,于 4 0℃引发凝胶反应 ,脱模后于湿度不低于 5 0 %的环境中干燥 4 8h ,再于 110℃干燥 2 4h ,然后在空气中于5 30℃以上排胶 ,再经 16 0 0℃保温 2h烧成。结果表明 :坯体的干燥强度达 11.6MPa ;烧成后试样的体积密度为 3.0 6g·cm-3 ,显气孔率为 16 .5 % ,耐压强度为 72 .5MPa ;烧成后试样基质中除了极少量的刚玉相外 ,其余的全为尖晶石相 ,在制备过程中没有被污染。     

硅粉对刚玉-氮化硅复合材料表面氧化膜的影响

将T-60氧化铝粉、氮化硅粉和硅粉分别按50%、37.5%和12.5%的质量分数配料混合,经压制成型后,在空气中于1600℃保温2h烧成制得刚玉-氮化硅复合材料试样,借助于XRD、SEM、EDS等研究了加入硅粉对刚玉-氮化硅复合材料表面氧化膜组成和结构的影响。结果表明:在空气中烧成的刚玉-氮化硅复合材料表面氧化膜主要由富硅玻璃相、刚玉和莫来石组成;在刚玉-氮化硅复合材料中引入硅粉能减小氧化膜厚度,并能提高氧化膜的致密程度。     

纳米Al2O3对刚玉质耐火材料结构和性能的影响

在以板状氧化铝、电熔白刚玉、烧结氧化铝微粉为主要原料的刚玉质耐火材料中通过机械混合法和前驱体(铝溶胶)法引入0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%(质量分数,下同)的纳米Al2O3,混练均匀后,以180MPa的压力压制成125mm×25mm×25mm的试样,于120℃干燥12h后,在硅钼棒电炉中于不同温度(1400℃、1500℃、1600℃和1650℃)下保温4h烧成,然后测定烧成后试样的体积密度、显气孔率、常温抗折强度和高温抗折强度,并采用SEM分析烧成后试样的显微结构。结果表明:以前驱体法引入纳米Al2O3对材料性能的优化效果明显好于机械混合法;在相同的工艺条件下,加入1.5%的纳米Al2O3对提高烧成试样的体积密度、常温抗折强度和高温抗折强度作用最明显;当纳米Al2O3加入量超过1.5%时,烧成试样的强度迅速降低。     

不同气氛下合成的SiAlON结合刚玉或碳化硅材料的研究

以刚玉细粉、碳化硅细粉、氮化硅细粉、α-Al2O3,微粉和金属Al粉为主要原料,聚乙烯醇为结合剂,经球磨、混练、困料和成型后,分别在空气裸烧(氧化气氛)、埋石墨粉(还原气氛)、埋石墨+碳化硅混合粉(还原气氛)3种气氛下进行1 600℃6 h热处理制备了SiAlON结合刚玉或碳化硅复合耐火材料,并研究了刚玉或碳化硅粉加入量(7.5%～90%,质量分数)和烧成气氛对SiAlON相的生成量、晶体形貌以及耐火制品的相组成、显微结构和性能的影响.结果表明:(1)随着刚玉粉含量的增加,3种气氛下烧后的SiAlON结合刚玉材料的致密度均增大,烧结性能增强;但氧化气氛下烧结性能好于还原气氛下的.(2)2种还原气氛下烧成的Si A10N结合刚玉试样的相组成均为刚玉、SiAlON和SiC;而在氧化气氛下烧成的试样出现了分层现象,其非氧化层主要为SiAlON、刚玉和少量的莫来石.(3)不同气氛下烧成的SiAlON结合刚玉材料中均有柱状或纤维状的SiAlON生成,但氧化气氛下的SiAlON柱状物比还原气氛下的要粗壮、完整得多,且成群生长.(4)随着SiC粉含量的增加,SiAlON结合碳化硅材料在2种还原气氛下烧后的致密度降低,烧结性能下降;而在氧化气氛下烧后严重氧化,形成了较厚的釉层.     

SiAlON对MgO基浇注料高温性能的影响

以电熔镁砂为骨料,以电熔镁砂细粉、电熔白刚玉、矾土基β-SiAlON、α-Al2O3微粉和SiO2微粉为基质,固定电熔镁砂骨料与基质的质量比,并固定基质中各成分的质量分数,基质中用SiAlON逐步取代刚玉细粉,试样经 1600℃ 3h烧成后,考察SiAlON加入量(0、2. 5%、5%、7. 5%、10% )对浇注料热震稳定性、高温抗折强度(1400℃)等性能的影响,并对试样进行扫描电镜和能谱分析。结果表明:由于SiAlON的引入,在MgO基浇注料基质中起到了强化增韧作用,提高了浇注料的抗热震性能和高温抗折强度。     

过渡塑性相工艺制造刚玉-氮化硅质透气砖的研究

在刚玉 -氮化硅材料中添加 5 %和 1 0 %的金属硅进行塑性相成型 ,成型后在氧化气氛下于1 60 0℃保温 3h烧成。对烧成后材料的常温性能进行分析发现 ,随着金属硅含量的增加 ,试样的显气孔率明显下降 ,耐压强度上升。显微结构分析发现 ,烧成后材料的内部仍然有金属硅存在 ,并且金属硅与周围颗粒紧密连结。同时还发现 ,材料内部的氮化硅发生反应生成了氧氮化硅 ,有利于氮化硅材料的烧结 ,提高了材料的性能。     

刚玉中铁氧化物含量对β-SiAlON结合刚玉砖性能的影响

以板状刚玉(w(Fe2O3)=0.10%)、低铁棕刚玉(w(Fe2O3)=0.33%)、高铁棕刚玉(w(Fe2O3)=0.60%)、硅粉、铝粉和αAl2O3微粉等为原料,首先分别采用3种铁氧化物含量不同的刚玉细粉与合成纯βSiAlON(z=2.75)用的粉料(即硅粉、铝粉和αAl2O3微粉)混合制样,在氮化炉内于1450℃保温16h氮化烧成后,测定试样的质量变化率,然后在上述试验的基础上分别添加3种不同的刚玉骨料进行相同的试验,并测定试样的体积密度、耐压强度和抗折强度。结果发现:无骨料试样氮化后的质量变化率随刚玉原料中铁氧化物含量的增加而增大,3个试样的质量变化率分别为15.7%、15.9%和16.3%,说明3种试样中硅粉的氮化率随刚玉中铁氧化物含量的增加而増大;在使用刚玉骨料的试验中,采用高铁棕刚玉的试样的体积密度和强度均最高。     

硅微粉对Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料性能的影响

1　实验实验用主要原料为电熔刚玉(w(Al2 O3 )≥98.5 % )、硅灰(w(SiO2 )≥92 .9% )、碳化硅(w(SiC)≥97.6 % )、沥青粉(w(C)≥4 9 .7% )和纯铝酸钙水泥等。按表1的配比配料,在混砂机内加水混合,用4 0mm×4 0mm×1 6 0mm模具振动成型;室温下养护2 4h后脱模,于1 1 0℃干燥2 4h ;再从每个配方的试样中取部分试样置于高温炉中,加热到1 4 5 0℃后保温3h ;测定各试样的显气孔率、体积密度、抗折强度和耐压强度。表1　试样的配比(w) %试　样0s 1s 2s 3s电熔刚玉73 71 70 68αAl2 O3粉5 5 5 5水泥5 5 5 5SiC 1 4 1 4 1 4 1 4沥青粉3 3 3 3硅灰…     

硅粉加入量对刚玉-氮化硅复合材料力学性能的影响

以刚玉、氮化硅、粘土和硅粉为主要原料,在空气气氛下于1550℃保温3h烧成制得刚玉-氮化硅复合材料,研究了硅粉加入量(w)分别为0、4%、8%、12%时对试样常温物理性能、高温抗折强度的影响,并采用XRD、SEM、EDS等手段分析了试样的物相组成和显微结构。结果表明:在硅粉加入量<8%时,Si主要填充在烧成制品基质的空隙中;随着硅粉加入量的增加,制品致密化程度提高,常温强度增大,同时由于硅粉原位生成了纤维状赛隆而使制品的高温强度增大;但在硅粉加入量>8%时,Si可能构成连续相,又导致制品致密度下降和高温力学性能恶化。     

四氯化硅和四氟化硅的研究比较

SiCl4主要是作为改良西门子法生产多晶硅的副产物得到,SiF4主要是作为磷肥工业的副产物氟硅酸分解得到,但是二者纯度都不能满足生产多晶硅的要求,需进行分离纯化得到高纯物质。本文针对SiCl4和SiF4的物化性质、合成工艺、精制方法、应用前景等方面做了探讨和比较,指出SiF4比SiCl4更具应用前景。     

工业硅中硅含量的测定

介绍了用氢氟酸重量法直接测定工业硅中硅含量的方法。试样用硝酸和氢氟酸分解,使硅生成四氟化硅除去。然后进入高温炉中灼烧。根据氢氟酸处理前后的质量差,扣除铁氧化成三氧化二铁的增量,计算硅的质量百分数。本方法的相对标准偏差小于0.20%。     

碳化硅微粉中去除硅和二氧化硅工艺的研究

本文主要研究了除去碳化硅微粉中硅和二氧化硅的方法及最佳工艺条件.     

氯化亚铜催化四氯化硅和硅耦合加氢的机理研究

以氯化亚铜为催化剂、使用固定床反应器,对四氯化硅和硅耦合加氢反应进行反应历程中固体催化物种活性变化的机理研究。利用程序升温策略使Cu3Si在反应前完全生成,开启反应后观察到包含诱导期、稳定期、失活期的反应活性曲线,对诱导期的成因进行了讨论,认为Cu3Si在反应气氛下的氯化是形成活性中心的必要条件。使用惰性气体吹扫降温法制备了不同反应阶段的颗粒样品。利用SEM-EDS、XRD、XRF等研究了反应历程中表面形貌、晶型及体相组成的演化规律,提出了反应失活模型,认为颗粒表面形貌组成的变化导致扩散速率下降是失活的原因。     

硅和四氯化硅耦合加氢反应体系的热力学分析

基于Gibbs自由能最小原理,对硅和四氯化硅（SiCl₄,STC）耦合加氢反应体系进行了热力学分析。通过化学平衡产物组成分布的分析,确定了反应体系主要产物为三氯硅烷（HSiCl₃,TCS）、二氯硅烷（H₂SiCl₂,DCS）、盐酸（HCl）,并构造了3个相应的独立反应,讨论了对应的反应热（ΔrHθm）、自由能（ΔrGθm）和平衡常数（Kθp）与温度的关系。计算所采用的温度为673~923 K,压力为101.325 ~2 026.5 kPa,原料H₂与SiCl₄物质的量比为1~5。结果表明,生成TCS和DCS的反应为体系随着温度升高,四氯化硅平衡转化率及三氯硅烷产率降低;高压和适中的原料配比（H₂与SiCl₄物质的量比）有利于四氯化硅转化率及三氯硅烷产率的提高。     

氮化硅结合碳化硅树料的抗渣侵蚀性

借助光学显微镜、扫描电子显微镜和Ｘ射线衍射分析等手段，研究了矿渣侵蚀后的氮化硅结合碳化硅材料的显微结构和物相组成．探讨了氮化硅结合碳化硅材料的损坏机理。     

Detonation synthesis of nanoscale silicon carbide from elemental silicon

Direct reaction of precursors with the products of detonation remains an underexplored area in the ever-growing body of detonation synthesis literature. This study demonstrated the synthesis of silicon carbide during detonation by reaction of elemental silicon with carbon products formed from detonation of RDX/TNT mixtures. Continuum scale simulation of the detonation showed that energy transfer by the detonation wave was completed within 2–9 μs depending on location of measurement within the detonating explosive charge. The simulated environment in the detonation product flow beyond the Chapman-Jouguet condition where pressure approaches 27 GPa and temperatures reach 3300 K was thermodynamically suitable for cubic silicon carbide formation. Carbon and added elemental silicon in the detonation products remained chemically reactive up to 500 ns after the detonation wave passage, which indicated that the carbon-containing products of detonation could participate in silicon carbide synthesis provided sufficient carbon-silicon interaction. Controlled detonation of an RDX/TNT charge loaded with 3.2 wt% elemental silicon conducted in argon environment lead to formation of ～3.1 wt% β-SiC in the condensed detonation products. Other condensed detonation products included primarily amorphous silica and carbon in addition to residual silicon. These results show that the energized detonation products of conventional high explosives can be used as precursors in detonation synthesis of ceramic nanomaterials.     

Recovery of silicon from silicon sludge using supercritical water

In this paper, we propose a new methodology for recovering silicon from silicon sludge using supercritical water in a semi-batch reactor. Silicon sludge is the waste discharged from the silicon ingot cutting process and consists of cutting oil, cooling water, and silicon particles. The oil contained in silicon sludge was removed completely within several minutes by supercritical water elutriation at 400 or 500 °C and 25 MPa. The recovery percentage of silicon was only 70% at 400 °C owing to silicon dissolution. However, the recovery percentage was greater at a higher temperature (95% at 500 °C) because silicon dissolution was suppressed owing to the low ion product of water at higher temperatures. The silicon recovered at 500 °C and 25 MPa was approximately 99.2% pure. Contamination by oxidation was negligible because an oxide film did not grow on the silicon surface during the supercritical water treatment. We conclude that high-purity silicon can be recovered efficiently by supercritical water elutriation using a semi-batch reactor and that the methodology is promising for recovery of silicon from silicon sludge.     

Making reusable reaction-bonded silicon nitride crucibles for silicon casting from kerf-loss silicon waste

Silicon kerf loss during wafer slicing and the broken quartz crucibles after silicon casting are two major solid wastes from photovoltaic (PV) industry. Especially, the recycle of kerf-loss silicon has become an urgent issue because near 100 000 t of solid wastes are generated every year. One of the most meaningful recycle routes of the kerf-loss silicon is to make silicon nitride crucibles to replace the quartz crucibles. In this study, we demonstrated how this is feasible through acid leaching refining, slip casting, and nitridation. The reaction-bonded silicon nitride (RBSN) crucibles after oxidation were found pure enough for silicon ingot growth. More importantly, they could be reused after ingot growth. With the present examples, the potential of using the kerf-loss silicon for fine ceramics is prominent.