β-FeSi₂是一种新型的热电和光电材料,具有抗氧化、无毒、原料来源丰富和价格低廉等优点,对红外光的吸收能力很强,理论的光电转换效率高,β-FeSi₂所对应的特征区正是硅的全透明区,它是光纤通信中的最重要波段,有利于同新型光电器件和光纤的结合。目前对于制备β-FeSi₂材料的方法有:外延法、机械合金化法、离子束合成法、快速凝固法、热压法、放电等离子烧结法、化学气相输运法和温度梯度溶液生长法,采用上述方法制备β-FeSi₂热电材料生产周期长、耗能大且成本高,不适合于大批量生产,有必要寻求更好的方法。燃烧合成有着反应快、节约能源、产品纯度易于提高、适用性大、投资小等优点,为此我们对自蔓延-退火法制备单相β-FeSi₂材料进行了研究,该工艺可以提高β-FeSi₂的实际应用价值和广泛推广应用,可直接投入工业生产降低成本。以Fe粉、Si粉、KNO₃为原料,考察了机械活化过程、KNO₃掺量对燃烧合成FeSi₂的影响以及退火处理对燃烧合成产物的影响。研究表明:在球磨混料过程后,使反应粉料存储了部分机械能,在相同球磨混料条件下,原始粉料经球磨3h利用燃烧合成的材料最为理想,与球磨1h的燃烧合成产物相比,球磨3h的原始粉料燃烧合成产物中的α-FeSi₂含量也有所提高,ε-FeSi和α-FeSi₂共晶球粒尺寸进一步增大;KNO₃能够诱导铁硅金属化合物生成,不同掺量的KNO₃所对应燃烧合成产物呈现不同的组相,随着KNO₃掺量的进一步加大,燃烧合成产物中α-FeSi₂的量也同步加大,KNO₃掺量在40%的时候,燃烧合成产物中,α-FeSi₂明显提高,始终没有β-FeSi₂存在;不同掺量KNO₃的Fe-Si燃烧合成产物放在真空退火炉中,进行880℃的退火处理2小时,可使α-FeSi₂全部转变为β-FeSi₂,但对ε-FeSi不产生影响。KNO₃掺量在整个工艺中占十分重要的地位,不仅影响燃烧合成α-FeSi₂相的含量,同时间接性影响着热处理后的β-FeSi₂相的含量。燃烧合成产物经球磨后的粉料及压坯经退火后,以表面自由能降低为驱动力,燃烧合成产物颗粒之间相互粘结,成内部的多孔结构。本文针对Fe粉、Si粉和KNO₃为原料,采用控制燃烧放热法,考察了燃烧合成Fe-Si金属间化合物的组织转变过程,燃烧合成Fe-Si金属化合物的反应大致可分为如下几个过程:KNO₃的分解与Si、Fe粉料的熔化溶解;燃烧合成Fe-Si共晶组织的孕育与生长和FeSi-FeSi₂共晶颗粒的粗化。提出了燃烧合成Fe-Si金属化合物反应可以用溶解—扩散一析出机制来进行描述:由KNO₃分解并释放大量的热量直接导致Si颗粒的首先熔化,并在粉坯的空隙中蔓流,致使细小的Fe粉向熔融Si中的溶解、扩散加剧,随着液态扩散反应的进行,待其浓度达到饱和,即会有Fe-Si共晶颗粒析出,从而引发的共晶胚核的形成和长大。