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。     

燃烧合成制备Si3N4-TiN-SiC陶瓷的显微结构

以TiSi2为反应原料,SiC作稀释剂,燃烧合成制备Si3N4-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TiSi2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Si3N4,其余为TiN和SiC.在燃烧过程中,TiSi2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TiSi2互溶.生成的Si与氮气发生反应,形成Si3N4晶核,并不断长大.燃烧合成反应过程中,Si3N4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.     

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。     

添加铝对机械活化辅助合成Ti_3SiC_2粉末的影响(英文)

以Ti,Si,TiC并添加Al的混合粉末为原料,采用机械活化辅助自蔓延合成法制备了Ti3SiC2粉末。研究表明,机械活化过程可将原料的粒度尺寸细化至10μm以下,反应物活性提高,并能激发自蔓延合成反应生成Ti-Si,SiC,TiCx等中间相。在上述条件下,合成单相Ti3SiC2粉末的温度可降至1350℃。反应机理为:Al作为脱氧剂通过抑制其它元素的氧化来促进主相的生成,且在反应物中优先熔化形成局部微小熔池,加速了反应物的扩散并生成TiCx和Ti5Si3中间相,从而促进Ti3SiC2粉末的生成。     

激光法合成SiC超细粉末物理化学过程的研究——Ⅰ.实验规律及粉末特性

用50W连续波CO_2激光器为热源,诱发SiH_4和C_2H_4反应,合成SiC超细粉末。实验确定了反应腔体内压力p、气源中的C/Si原子比、喷嘴内径2r以及激光功率密度与粉末特性之间的关系,并对合成的产物进行物理、化学表征。     

SiC表面处理对Si3N4-SiC材料显微结构的影响

摘要在用反应烧结法制备Si3N4结合SiC复合材料时,如在反应前对SiC原料进行高温表面处理,可使SiC颗粒表面生成一层SiO2氧化层,该氧化层在高温、氮气气氛中会生成Si3N4颗粒或纤维,从而有效连接各SiC颗粒。     

炭／炭复合材料SiC／Mo（Six，Al1-x）2涂层形成机理与抗高温氧化性能

采用高温包渗技术在炭／炭复合材料表面制备了SiC／Mo（Six,Al1-x）2复合涂层,采用两步反应法研究了复合涂层的生成机理。发现复合涂层是由Si、Al2O3、SiC、MoSi2原始粉末材料与基体炭材料经过复杂化学反应生成的SiC、Mo（SixAl1-x）2以及微量Mo4．8Si3C0．6固溶体组成。在较低温度下（〈1750℃）,单质硅与基体碳的液-固相反应,经过2小时后可以在炭／炭复合材料表面和内部孔隙表面生成致密的SiC过渡涂层;在较高温度下（≤2000℃）,SiC、Al2O3和MoSi2间的反应较为复杂,其主要过程为SiC与Al2O3间生成液体硅、液体铝和气态SiO、Al2O的多相反应,该反应生成的液体铝能够与MoSi2颗粒发生置换反应,生成熔点降低的Mo（Six,Al1-x）2转移涂层;同时,生成的液体硅与CO反应生成晶须状β—SiC,并与Mo（Six,Al1-x）2形成增强型复合涂层。本文还研究了过量单质Si和SiC对Mo（Six,Al1-x）2的还原反应,化学反应推论与实验结果相吻合。以新提出的涂层生成机理为指导,以粉末原料质量组成为Si10％,Al2O3 10％,SiC54％和MoSi226％时所制得了致密并且无粘结的复合涂层材料,并研究了封孔处理后复合材料的抗氧化性能。     

SiC晶须在Si3N4-C和SiO2-C-N2系统中的合成

对Si3N4-C和SiO2-C-N2系统中的主要化学反应以及SiC晶须在两种系统中合成的热力学条件进行了分析,进而采用碳黑为碳源、Si3N4与SiO2微粉为硅源、氧化硼为催化剂,分别在氩气与氮气气氛下,于1600℃合成SiC晶须.采用扫描电子显微镜,透射电子显微镜等分析手段分析了晶须的生成量和形貌结构特征.结果表明:通过SiO2-C-N2系统可以一步合成SiC晶须,其与Si3N4-C系统合成的均为β-SiC;但在晶须的生成量和质量上,Si3N4-C系统合成的SiC晶须较好.     

SiC超细粉的化学分析（I）——示差分光光度法测定SiC超细粉末中的总硅量

在碳化硅的总硅量测定中，样品的分解是关键之一。本采用NaOH和Na2O2（2：1）的混合溶剂，在银坩埚中于700℃下熔融20分钟来分解Si C超细粉末。由于SiC中的总硅量高达70％左右，所以用500μg/100ml的标准SiO2溶液作为参比溶液，以硅钼示差分光光度法测定SiC超细粉末中的总硅量。本方法的最大吸收波长λ＝800nm，在该波长的表观摩尔吸光系数ε＝2．51×10^4。     

不同原料体系对无压烧结合成Ti3SiC2的影响及其腐蚀行为

通过液相磁力搅拌混合原料粉末,压片后无压烧结合成了三元Ti3SiC2,研究不同原料配比Ti/Si/C,Ti/SiC/C/和TiC/Si/Ti对合成Ti3SiC2的影响,同时为了比较,在相同条件下加入少量Al或Sn,研究其对Ti3SiC2的合成过程及最终产物的影响,并探讨Ti3SiC2的合成机理.结果表明:3Ti/1.2Si/2C/0.1Al在1400 ℃无压烧结合成了较高纯度的Ti3SiC2,Al粉的加入可以降低混合粉末的起始反应温度,有利于三元层状化合物Ti3SiC2的合成和纯度的提高,其合成机制为,在铝粉形成的熔池中,经形核钛和硅反应生成钛硅金属间化合物,钛与石墨反应生成碳化钛,随后扩散,长大,随着温度的升高,反应生成三元层状Ti3SiC2.而以TiC或SiC为Ti或Si源制备的Ti3SiC2含杂质较多,不适用于无压烧结合成Ti3SiC2.合成的Ti3SiC2在HF溶液中经200 ℃溶剂热反应后,产物主要为两种不同晶型的SiC和AlF3立方体,且随着反应时间的延长,AlF3的含量增加,结晶更完善.     

Combustion Synthesis of Silicon Carbide in Nitrogen Atmosphere

Fine SiC powders were synthesized by burning the mixed reactionts Si and C in a nitrogen atmosphere of 3 to 10 MPa. The exothermic synthesis reaction propagated spontaneously after igniting the reactants at room temperature. The SiC powders obtained had a uniform size distribution of about 0.2 μm. The combustion velocity was 0.8 to 1.5 mm / s. The maximum temperature measured at the reaction was 2500 K, which was higher than the adiabatic combustion temperature of SiC, but slightly lower than the decomposition temperature of Si₃N₄ under nitrogen pressure.     

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 ultra-fine SiC powders in low pressure N2-atmosphere

Ultra fine SiC nano-powders (100–300 nm) of high purity were successfully produced by combustion of a powder mixture of Si and C, with the addition of poly-tetra-fluoro-ethylene (PTFE) as a chemical stimulator, in a moderately pressurized nitrogen atmosphere (1–10 MPa). The experimental results showed that with the aid of mechanical activation of the starting powders, a small amount of PTFE (1.5 wt%) can effectively stimulate the reaction between Si and C. Both the experimental results and thermodynamic calculations indicate that the formation of Si₃N₄ plays a key role in the process. The optimum conditions for producing the aforementioned SiC fine powders were 1.5 wt% PTFE, 1 MPa N₂ pressure and no addition of diluents of SiC powder.     

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。     

热处理对层状SiC/Si复合材料结构和性能的影响(英文)

牛皮纸浸酚醛树脂,经叠层、固化、碳化,最后,埋入硅粉中,在N2气保护下加热到1400℃,再抽真空并升温至1550℃,保温60min,使碳化样品与液态硅充分反应,制备了SiC/Si层状陶瓷复合材料.复合材料的密度、强度分别为2.20g/cm3和435MPa.将SiC/Si层状复合材料分别在氮气和真空中,于1440℃进行再热处理.研究了再热处理后材料的组成、显微结构和气孔率、强度等物理性能.结果表明:在氮气气氛下再热处理60min,样品的密度、强度分别达2.32g/cm3和455MPa,此时,因SiC/Si层状复合材料中Si与C经扩散迁移而反应形成更多的SiC,使材料的密度、强度提高.在真空环境中1400℃再热处理30min,样品的密度、强度分别为2.12g/cm3和430MPa,这是由于Si蒸发,样品的质量减少,气孔率大幅度增加,因此,密度和强度略有下降.     

Direct Combustion Synthesis of Silicon Carbide Nanopowder from the Elements

Direct synthesis of silicon carbide (SiC) nanopowders (size 50–200 nm, BET ~20 m²/g) in Si–C system is conducted in an inert atmosphere (argon) using a self‐propagating high‐temperature synthesis (SHS) approach. A preliminary short‐term (e.g., minutes) high‐energy ball milling (HEBM) of the initial mixture, which involves pure Si and C powders, is used to enhance system reactivity. Two conditions of HEBM with different force fields (17G and 90G) are applied and the results are compared. The influence of HEBM's conditions on the microstructure of mechanically treated mixtures and combustion products is also investigated and discussed. Obtained results suggest that by changing the intensity of mechanical treatment one may prepare a completely amorphous reactive mixture containing carbon and silicon, or gradually change the ratio of (Si/C)–SiC phases and finally produce pure silicon carbide powder during the milling process. The influence of HEBM on the combustibility of the Si/C mixture possesses a critical character: the self‐sustained reaction becomes feasible only after a critical time of ball milling (i.e., 10 min for 90G; 30 min for 17G). Comparison of the microstructures for as‐milled and as‐synthesized powders reveals that for all investigated conditions the morphologies of the as‐milled reactive Si/C media are essentially the same as that for SiC combustion products. The mechanism for direct synthesis of SiC by combustion reaction is also proposed.     

Preparation and microwave absorption properties of Fe-doped SiC powder obtained by combustion synthesis

Fe-doped SiC powders were synthesized via combustion reaction of the Si and C system in a 0.1 MPa nitrogen atmosphere using iron as the dopant. The prepared powders have fine spherical particles and narrow particle size distribution. The electric permittivities of SiC samples were determined in the frequency range of 8.2–12.4 GHz. Results show that the permittivity of SiC increases with the increasing iron contents. The 5% Fe-doped SiC powder with 2 mm or 2.5 mm thickness exhibits the best microwave absorption over the frequencies ranging from 8.2 to 12.4 GHz.     

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