燃烧合成制备Si_3N_4–TiN–SiC陶瓷的显微结构

以TiSi_2为反应原料,SiC作稀释剂,燃烧合成制备Si_3N_4–TiN–SiC陶瓷。利用燃烧波“淬熄”法使反应各个阶段的物相得以保留,通过X射线衍射及扫描电镜分析TiSi_2在燃烧合成中的反应过程及显微组织转化。结果表明完全反应后产物的主相为Si_3N_4,其余为TiN和SiC。在燃烧过程中,TiSi_2首先受热熔化,包覆于SiC颗粒表面,随后与N2反应生成TiN和Si。Si在高热作用下发生熔化、汽化,液态Si与未反应的TiSi_2互溶。生成的Si与氮气发生反应,形成Si_3N_4晶核,并不断长大。燃烧合成反应过程中,Si_3N_4晶须的生长十分复杂,由气–液–固机制、气–固机制及蒸发凝聚的气相生长机制共同作用。     

稀释剂含量对自蔓延高温合成Si3N4-SiC-TiN陶瓷的影响

以TiSi2和SiC为原料,利用自蔓延高温合成(self-propagation high-temperature synthesis,SHS)方法合成直径为24mm的Si3N4-SiC-TiN陶瓷.通过理论计算和实验研究了不同孔隙率压坯中稀释剂SiC含量对反应物TiSi2转化率的影响.结果表明:SiC在一定范围内增加有利于TiSi2的氮化,且含40%(质量分数,下同)SiC和50%SiC的压坯在燃烧合成过程中发生了SiC的氮化反应.压坯孔隙率为50%(体积分数,下同)时,反应物TiSi2氮化充分,最终产物为Si3N4-SiC-TiN.孔隙率为45%,含量为30%SiC和40%SiC压坯的合成产物中残留游离Si,50%SiC压坯的合成产物中未发现游离Si.在稀释剂含量为35%SiC,氮气压力为150 MPa条件下,所得的Si3N4-SiC-TiN复相陶瓷抗弯强度达430 MPa,断裂韧性为3.6MPa·m1/2.     

化学激励燃烧合成Si3N4/SiC复合粉体的研究

研究了利用聚四氟乙烯作活化剂时Si／C混合粉末在氮气中燃烧合成Si3N4／SiC复合粉体。结果表明：当聚四氟乙烯的加入量为10％(质量分数)时可有效激励Si-C弱放热反应，使之以燃烧合成方式生成Si3N4／SiC复相粉。在埋粉条件下Si／C／SiC混合粉末也可以实现燃烧合成Si3N4／SiC复相粉。氮气参与反应时可进一步提高燃烧反应温度，并且首先以气相-晶体生长机制生成Si3N4，然后在高温贫氮的反应前沿Si3N4分解，再与C反应生成SiC。在Si3N4／SiC复合粉中Si3N,形貌以晶须为主。综合X射线衍射分析、扫描电镜观察及原子力显微镜观察对实验结果进行了讨论，解释了Si3N4晶须的形成原理。     

以柠檬酸铵为TiO2分散剂控制Si3N4-TiN复相陶瓷的显微结构

以Si3N4,AlN和TiO2为原料,Y2O3和Al2O3为烧结助剂,通过添加柠檬酸铵作为TiO2的分散剂,采用原位反应合成法制备TiN体积分数为5%的Si3N4-TiN复相陶瓷,在高温烧结过程中原料中的TiO2和AlN反应生成TiN.通过扫描电子显微镜观察了柠檬酸铵分散剂用量对Si3N4-TiN复相陶瓷显微结构的影响.结果表明:添加柠檬酸铵分散剂降低原料混合粉体中TiO2的团聚,获得组分均匀的Si3N4-TiO2-AlN复合粉体,从而提高Si3N4-TiN复相陶瓷中TiN相在Si3N4基体中的分散性,烧结后获得显微结构均匀的Si3N4-TiN复相陶瓷.当在体系中添加0.20g柠檬酸铵分散剂可以显著改善Si3N4-TiN复相陶瓷的显微结构,TiN晶粒被控制在0.2～0.3μm.     

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.     

HfO2辅助法制备Si3N4纳米带及其光致发光性质

本文以氮化硅(Si3N4)和氧化铪(HfO2)为原料,在N2气氛条件下于1700℃直接热处理合成了大量的Si3N4纳米带.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等方法对样品的物相、微观结构进行了表征.结果表明:合成的Si3N4纳米带厚约50 nm,长达数百微米,纯度高且结晶好.纳米带沿α-Si3N4的[201]方向生长,属于气-固(VS)生长机制.Si3N4纳米带在360～ 496 nm范围内具有较强的发射峰,表明所合成的Si3N4纳米带具有优异的光致发光性质,在光电纳米器件中具有潜在的应用前景.     

反应烧结制备轻质高强Si3N4/SiC材料

采用反应烧结制备轻质高强Si3N4/SiC材料.分析了烧成制度对氮化合成Si3N4结合相的影响,研究了Si3N4结合相、SiC骨料粒径大小以及级配对试样性能的影响.通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、Archimedes排水法以及万能试验机分别表征材料的物相组成、微观结构、体积密度和力学性能.实验结果表明:坯料中添加大粒径SiC(D50=150μm)会增加试样的体积密度,降低试样的抗弯强度;试样中加入大粒径SiC会减少氮化增重,阻碍氮化反应;试样分别在1350℃/1450℃保温2h,生成α-Si3N4和β-Si3N4的量基本相等,性能最佳,抗弯强度达到125MPa,(弯曲)比强度达到5.4×104N·m/kg.     

SiC基陶瓷高温相平衡——SiC-Si3N4-Gd203系统

通过热压烧结在1700℃,分别于Ar和N2气氛下制备了一系列SiC—Si3N4-Gd2O3陶瓷样品,采用X射线衍射技术分析了样品的相组成,确定了相关系。结果表明：在SiC-Si3N4-Gd2O3的二元子系统和三元系统中,除了二元化合物Si3N4-Gd2O3（M相）存在,尚有含氮稀土硅酸盐化合物SiEN20．2Gd2O3（J相）和Gd10（Si04）6N2（H相）生成。而这些化合物的生成主要是由于SiC、Si3N4粉料表面的杂质氧（以SiO2形式存在）参与了反应,由此引入的SiO2这一组分,使原三元系统扩大成为SiC-Si3N4-SiO2Gd2O3四元系统。通过对产物相组成的分析,确定了在此四元系统中存在8个相容性四面体。基于上述结果,提出了1700℃的SiC-Si3N4-Gd2O3准三元亚固相图、Si3N4-Gd2O3-SiO2三元亚固相图以及SiC-Si3N4-SiO2-Gd2O3四元亚固相图。     

SiC基陶瓷材料高温相平衡研究——SiC–Si_3N_4–Y_2O_3系统相关系

通过在1680℃热压烧结,氮和氩2种气氛下制备了SiC–Si3N4–Y2O3陶瓷材料样品,并采用X射线衍射仪分析了样品的相组成。结果表明:在SiC–Si3N4–Y2O3样品的系统中,除了SiC和Si3N4共存外,还生成了Si3N4·Y2O3(M),Si2N2O·Y2O3(K)和Si2N2O·2Y2O3(J)相。SiC和Si3N4都分别同这3相共存。Si2N2O组分的引入使系统扩大成为SiC–Si3N4–Si2N2O–Y2O3四元系。在此四元系统中分别确定了3个相容性四面体,即,SiC–M–K–J,SiC–M–J–Y2O3,SiC–Si3N4–M–K(N2气氛)或SiC–Si3N4–M–J(Ar气氛)。随着样品中配置粉料的氧含量和高温氛围氧分压的影响,SiC和Si3N4将依含氧量由低到高的顺序M,K,J,Y2O3,分别有选择性地与三相处于平衡。提出了SiC–Si3N4–Y2O3三元系统和SiC–Si3N4–Si2N2O–Y2O3四元系统亚固相图。     

化学激励燃烧合成SiC超细粉末的工艺和机理研究

研究了利用聚四氟乙烯（-C2F4-）n作活化剂时Si/C混合粉末在氮气中的燃烧行为，结果表明：少量聚四氟乙烯的加入就可有效激励Si-C弱放热反应，使之以燃烧合成方式生成SiC，氮气参与反应时可进一步提高燃烧反应温度，并且首先以气相-晶体机制生成Si3N4，然后在反应前沿分解为SiC，调整工艺参数可获得亚微米级SiC粉末，综合X射线衍射、差热/热量分析及扫描电镜观察，提出了Si-C-N-(-C2F4-）n体系中的燃烧反应机制，并从热力学角度对实验结果进行了讨论。     

硅液相浸渍反应制备TiC/SiC和TiN/SiC复相陶瓷

以滤纸、酚醛树脂和氧化钛为原料,经过模压成型、固化、碳化及不同条件下渗硅制备了TiC/SiC和TiN/SiC复相陶瓷。通过X射线衍射和扫描电子显微镜研究了TiC/SiC和TiN/SiC复相陶瓷的微观结构和物相组成,测量了复相陶瓷的弯曲强度和断裂韧性。结果表明:真空条件下液态渗硅获得的TiC/SiC复相陶瓷具有多孔的微观结构,其弯曲强度和断裂韧性较小。氮气气氛下液态渗硅制备的TiN/SiC复相陶瓷结构致密,有较高的弯曲强度和断裂韧性。不同反应生成的TiC,TiN陶瓷颗粒对液态硅的润湿性不同,使得生成的复相陶瓷具有不同的微观结构。TiN/SiC复相陶瓷中TiN颗粒的引入,在基体与第二相颗粒间的界面上产生拉应力和压应力,使达到这一区域的裂纹偏转,从而获得增韧效果。     

逆反应烧结制备铝电解槽用氮化硅-碳化硅复合材料

采用常规的反应烧结工艺制作铝电解槽侧壁材料用Si3N4／SiC时存在不足，为此，提出应用逆反应烧结工艺进行生产性试验的设想。在制备Si3N4／SiC复合材料时，常规反应烧结是以Si和SiC为原料经氮化烧结；逆反应烧结是以Si3N4和SiC为原料，首先使Si3N4反向反应生成活性氧化物后进行烧结。结果表明：该工艺特点是新生的Si2N2O或SiO2进行活性烧结；制品具有良好的物理和化学性能。制品结构紧密，新生氧化物或亚氧化物紧密地充填在Si3N4和SiC颗粒间界，新工艺制备的砖的抗冰晶石熔体侵蚀的性能优于常规工艺烧成砖，是铝电解槽侧壁的良好材料。     

利用多晶硅切割废料燃烧合成SiC基复相材料

利用多晶硅切割废料,采用燃烧合成的方法成功制备了SiC/Si2N2O及SiC/SiAlON复相粉体材料,并以该粉体为辐射基料制备出高温红外发射涂料。研究了原料配比对产物物相组成和微观形貌的影响,讨论了掺入C粉和Al粉的燃烧反应机理。实验结果表明,当反应剂中SiC∶Si∶C=68∶56∶0(质量比)时,合成产物中的Si2N2O含量最大;当反应剂中SiC∶Si∶C∶Al=68∶53∶24∶21时,合成产物中的SiAlON含量最高,配制成的高温红外涂料的红外发射率数值最高,在2.5～23.5μm波段范围内达到了0.92。     

Synthesis of Si3N4–TiN–SiC composites by combustion reaction under high nitrogen pressures

Si₃N₄–TiN–SiC composites were synthesized from TiSi₂ and SiC mixtures via the combustion reaction under high nitrogen pressure. The nitridation mechanism of TiSi₂ was analyzed. The results show that the nitridation of TiSi₂ produced TiN and Si firstly, and Si₃N₄ phase was formed by the further nitriding of Si. The molten eutectic phase and its agglomeration between Si and TiSi₂ formed one core-shell structure and affected the nitridation process. Under higher nitrogen pressure, the nitridation reaction was complete and the relatively dense Si₃N₄–TiN–SiC composites obtained. TEM observation revealed inhomogeneous Si₃N₄ grain size, amorphous phase, cavities, microcracks and dislocations, and graphite from the nitridation of SiC in the microstructure.     

Combustion synthesis of SiC/Si3N4-NW composite powders: The influence of catalysts and gases

Composite powders containing silicon carbide (SiC) particles and silicon nitride nanowires (Si₃N₄-NWs) were synthesized by combustion synthesis, using elemental Si, carbon black, PTFE and small amount of metal powders as raw materials. The catalyst types and environmental gases and pressures have been altered to study their influence upon the crystal growth and the nature of the products. The products were characterized by X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy. Results reveal that the metal/silicon liquid (e.g. Ni₂Si and Fe₃Si) formed during the combustion process is a key factor for the growth of Si₃N₄-NWs in nitrogen. For the process carried out in non-nitrogen gas (Ar, CO₂ or mixed CO₂/O₂), pure SiC particles were obtained. The rise in nitrogen pressure can promote the growth of Si₃N₄-NWs as well as large SiC particles. The growth of Si₃N₄-NWs could be explained by the SLGS mechanism, and the growth of SiC particles was involved in the gas-phase and liquid-phase mechanisms.     

原位燃烧合成Si3N4/Ti(C,N)/SiC复相陶瓷热力学分析

研究了用ＴｉＣ作添加剂时Ｓｉ粉坯在高压氮气中的燃烧行为,结果表明：ＴｉＣ加入量对燃烧合成产物的相组成有重要影响,原因在于ＴｉＣ加入量直接影响燃烧过程中氮气向反应前沿的渗透性,从而影响试样中不同部位氮气分压的变化,适当调整工艺参数,可以合成Ｓｉ３Ｎ４／Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）／ＳｉＣ复相陶瓷,并从热力学角度对实验结果进行了合理的解释。     

Combustion synthesis of AlN–SiC solid solution particles

The feasibility of synthesising AlN–SiC solid solution ceramics by combustion synthesis (CS) reaction is demonstrated through igniting the mixtures of aluminium, silicon and carbon black under different nitrogen pressure values. The effects of the nitrogen pressure and the atomic ratio of (Si+C)/Al on the crystalline phases formed in the reaction product and on the characteristics of combustion behaviour were investigated. Combining thermodynamic analysis and the combustion characteristics, the reaction sequence and the formation of AlN–SiC solid solution by CS were explained.     

以固态氮化剂燃烧合成AlN-SiC固溶体的研究

通过热爆方式点燃铝粉、氮化硅粉、碳黑的混合粉末压坯,在较低氮气压力下成功地合成了ＡｌＮ－ＳｉＣ固溶体陶瓷．研究了气体环境、氮气压力对燃烧特征的影响．结合热力学分析,解释了ＡｌＮ－ＳｉＣ固溶体的形成机理及反应次序．通过扫描电镜,观察了反应物的形貌特征