硅粉聲場流態(tài)化及直接氮化研究.pdf

1、氮化硅是一種高性能結構陶瓷材料，其物理化學性能優(yōu)越，廣泛應用于燃氣輪機燃燒室、高溫軸承、導彈以及雷達天線罩、電熱塞等制作中，特別是全陶瓷汽車發(fā)動機的出現(xiàn)，或許將帶給汽車工業(yè)一場新的革命。但在自然界中尚未發(fā)現(xiàn)有自然條件下存在的氮化硅粉，目前所應用的氮化硅粉都是通過人工條件合成的。
　　氮化硅粉的合成方法主要有四大類:硅粉的直接氮化法、碳熱還原法、氣相合成法以及熱分解法，這些方法中硅粉直接氮化法生產(chǎn)過程最為簡單，制備成本較低，但其產(chǎn)品

2、質(zhì)量不高，連續(xù)化生產(chǎn)困難。直接氮化法與氣固反應強烈的流化床技術相結合的流化床制備氮化硅粉技術是解決上述問題的突破口。本文基于國家自然科學基金“流化床中直接氮化硅機理研究(No.50676084)”課題，研究流化床中直接制取氮化硅的機理，主要內(nèi)容如下:
　　(1)聲場條件下硅粉的流化特性研究:通過不同粒徑的硅粉顆粒在不同聲場條件下的冷態(tài)流化特性研究發(fā)現(xiàn)，聲場的引入可改善硅粉顆粒的流化特性。隨著聲壓級的增大，硅粉的臨界流化速度減小;顆

3、粒粒徑越小，在相同聲壓級變化情況下，臨界流化速度變化幅度越大;聲頻率對顆粒的流化特性作用相對較為復雜;通過聚團力平衡模型分析，得到流化聚團尺寸預測模型。
　　(2)硅粉直接氮化特性研究:利用熱重分析儀的溫度、氣氛和反應時間的可控性，研究硅粉在不同溫度、氣氛和反應時間條件下的直接氮化特性。三種牌號的硅粉在氮化過程中表現(xiàn)出兩種晶體生長方式，牌號為441的硅粉表現(xiàn)為垂直硅面的晶體生長，而3N和Si-1硅粉則變現(xiàn)為包覆式生長;整個硅氮反應

4、過程可分為動力學控制階段和擴散控制階段，硅蒸汽壓力控制著擴散反應階段反應速度，而整體反應速度由擴散反應階段控制;從總轉化率來看，牌號為441的硅粉在同等條件下獲得了較高的轉化率，溫度變化對α相和β相氮化硅轉化率的影響較為復雜;通過由阿累尼烏斯公式導出的lnln分析法作圖獲得硅氮反應在反應初期反應級數(shù)為2～3，是晶體成核和生長的過程，基于產(chǎn)物的SEM圖片也得到一致的結果。
　　(3)高溫流化床中硅粉直接氮化試驗研究:在自行設計建造的

5、帶物料循環(huán)回送系統(tǒng)的高溫(＞1600℃)流化床反應器上，試驗研究硅粉在其中的直接氮化反應特性。結果表明，對于牌號為441以及Si-1兩種硅粉，氮化反應溫度升高α相和β相氮化轉化率提高，粒徑較小的牌號441硅粉的氮化轉化率更高;由于硅粉在循環(huán)過程中反應區(qū)的停留時間較短，與熱重實驗相比，氮化轉化率相對偏低;氫氣反應氣的添加，可促進硅氮反應過程，對于Si-1硅粉由于生成物包覆作用明顯，氫氣的添加使得在總轉化率提高不明顯的情況下，β相氮化硅轉化