论文部分内容阅读
燃烧合成技术因其低成本、高效率等特点,在制备Si3N4等氮化物陶瓷粉体方面,较之传统合成工艺,具有明显的优势。本文旨在研发低于3.0MPa氮气压力下,制备氮化物陶瓷粉体的燃烧合成新技术,进而系统地研究以该类技术制备Si3N4、Fe-Si3N4和MgSiN2等三类氮化物粉体的工艺和机理。
本研究采用高压燃烧合成工艺,合成了超细β-Si3N4粉体。系统研究了原料粒度和配比、铵盐用量、铺料厚度对燃烧合成过程参数和产物粉体性能的影响。优化合成工艺后获得了d50约为1.8μm的β-Si3N4粉体,将该粉体用于无压烧结氮化硅陶瓷套管,探讨了分段烧结制度、烧结助剂体系和粉体粒度对套管致密度的影响。结果表明,采用多段保温制度能促进烧结产物致密化;以MgO-CeO2-AlPO4为烧结助剂,制备的氮化硅陶瓷套管相对密度在94%以上,通过了Al熔体热震实验的检测。在近常压氮气压力下,燃烧合成了β-Si3N4粉体。研究了原料初始温度、氮气压力、稀释剂含量对产物氮化率和物相组成的影响,分析了提高原料初始温度对燃烧合成工艺过程和产物粉体特征的影响。研究发现,预热温度为500~800℃时,在140~200kPa氮气中能稳定燃烧合成单相β-Si3N4粉体;提高预热温度,可以降低实现燃烧合成所需的氮气压力。在机械活化作用辅助下,实现了空气中燃烧合成Fe-Si3N4粉体。系统地研究了硅铁粉铺料厚度和机械活化时间对燃烧波蔓延速度、燃烧温度及产物氮化率的影响。探讨了空气中燃烧合成的动力学机制以及Fe-Si3N4的生成机理。经机械活化2h的原料,铺料厚度小于7cm时才能实现完全氮化;得到的含铁Si3N4粉主要物相为α-Si3N4、β-Si3N4和FeSi。在2.0MPa氮气中,实现了硅团粒燃烧合成β-Si3N4粉体。系统研究了硅团粒尺寸和反应剂配比对原料坯体孔隙率、燃烧合成过程和产物粒度及物相组成的影响。分析了原料造粒处理工艺对硅粉后氮化过程的影响。结果表明,控制团粒尺寸可以调控坯体孔隙率,从而控制燃烧波蔓延速度和燃烧温度。在低于1.0MPa氮气下燃烧合成的产物,经酸洗除杂,获得了单相MgSiN2粉体。讨论了原料配比、稀释剂含量和氮气压力对燃烧合成产物相组成的影响,并研究了酸洗去除产物杂相的工艺。结果表明,按化学反应计量比配制的反应剂无法直接燃烧合成单相MgSiN2粉体;Mg粉过量5%以上的原料,燃烧合成所得产物经酸洗处理,可以获得粒径约小于5μm的单相MgSiN2粉体。