D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1997.06.010 第19卷第6期 北京科技大学学报 Vol.19 No.6 1997年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1997 燃烧合成氮化硅的动力学分析* 曹永革葛昌纯 周张健 北京科技大学特种陶瓷粉末冶金研究室，北京，100083 摘要用2种方法研究了燃烧合成氮化硅的动力学.Si,N的燃烧波蔓延速度为0.097~0.13Cm· s-',燃烧区宽度为0.54cm,用燃烧波速法测得其激活能为75.4kJ/mol.确定了不同燃烧时间的 反应转化率和转化程度，并据此计算出燃烧合成Si,八，的激活能为54.3kJ/mol.2种方法计算的激 活能数值相差约30%，说明燃烧合成氮化硅过程存在明显的后燃烧现象.随稀释剂质量分数的增 加，最高燃烧温度降低，热扩散系数略有增加，加人气相传输剂，能够降低燃烧波速，提高燃烧合 成Si,N,动力学阶段的激活能， 关键词氨化硅陶瓷，燃烧合成，动力学，温度曲线 中图分类号TQ038 燃烧合成(CS:Combustion Synthesis)氮化硅陶瓷已有许多报导I~),但动力学过程的研 究却比较少，且研究结果存在较大的出人.由于合成氮化硅是一强放热过程，对其动力学过程 的研究，有助于理解硅粉的氮化机制以及控制产物的组成(a/B-Si,N,的比率).研究燃烧合成 过程的动力学方法主要有2种6：(1)燃烧波速法计算激活能；(2)反应转化率法计算激活能.2 种方法均可由燃烧温度曲线分析得到.理论上，用2种方法计算的结果应该一致，但由于方法 ()只考虑反应初始阶段（转化率刀≤1），如果在燃烧区内反应不完全，即存在后燃烧反应m, 在燃烧区内的反应温度不能够达到最高燃烧温度，会影响计算得到的激活能值，方法(2)同时 考虑了最初升温阶段和最后的降温阶段(，=)，它能够计算在不同时间即在不同转化率时 的激活能值，对在燃烧区内反应不完全的体系，用方法()计算的激活能值偏高，而对于在 燃烧区内反应完全的体系，用2种方法计算的激活能值相差不大侧.2种方法均只适用于稳态 燃烧体系. 前人均未用方法(2)计算过Si,N,的激活能.本文用此法计算了燃烧合成S,N,激活能，不 同燃烧温度时的热扩散系数，以及气相传输剂对激活能的影响， 1实验 实验使用的硅粉初始平均粒度为16.74μm,比表面积为0.648m/g,Fe含量（质量分数， 下均同)为1.02%，其余杂质含量小于0.1%；稀释剂S1,N,平均粒度为4μm,比表面积2.29m /g,氮36.5%，游离Si0.54%,氧2.20%，Ca0.02%,Mg0.01%,Fe0.012%,阝-Si,N4占 93.18%,B-Si,N占6.82%，气相传输剂NH,F为分析纯. 实验按如下反应式进行：3(1-)Si+2(1-x)N,+xSi,N4→i,N,.改变稀释剂含量(x), 1997-09-29收稿 第一作者男27岁博士 *国家自然科学基金资助项目第1 ,卷 第 6期 1 99 7年 1 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f nU i v e r s i t y o f cS i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g V o l 。 1 9 N o 一 6 】k C 。 1 9 9 7 燃烧合成氮化硅 的 动力学分析 * 曹永革 葛昌纯 周 张健 北京科技大学特种陶瓷粉末冶金研究室 , 北京 , 10 0 0 8 3 摘要 用 2 种方法研究了 燃烧合成氮化硅的动力学 . 51 3伙 的燃烧 波蔓延速度 为 .0 0 97 一 0 . 1 3c m · s 一 ’ , 燃 烧 区宽度 为 .0 54 c m , 用燃 烧波速法 测得其 激活能为 75 . 4 kJ/ m ol . 确定了不 同燃烧 时间的 反应转化率和转化程度 , 并据此计算 出燃烧合成 51 3叹 的激 活能为 54 · 3 kJ/ mo l · 2 种方法计算 的激 活能数值相差 约 30 % , 说 明燃烧 合成氮化硅过程存在 明显 的后燃烧现象 . 随稀 释剂质量分数的增 加 , 最高燃烧温度降低 , 热扩散系数略有增加 . 加人气相传输剂 , 能够 降低燃烧波速 , 提高燃 烧合 成 51 3伙 动力学阶段的激活能 · 关健词 氮化硅陶瓷 , 燃烧合成 , 动力学 , 温度 曲线 中图分类号 T Q 0 38 燃 烧合成 (C S : C o m bo s it on yS n ht es is) 氮化 硅 陶瓷 已 有许 多 报 导 L , 一 ’ ] , 但 动力 学过 程 的研 究 却 比较 少 , 且 研究 结果存 在 较大 的 出人 . 由于合 成 氮化硅 是一 强放 热过 程 , 对 其动 力学 过程 的研究 , 有 助于 理解 硅粉 的氮 化机制 以 及 控 制产物 的组 成 a( / 声 一 51 3凡 的 比率) · 研究 燃烧合成 过程 的动力 学 方法 主要有 2 种 l6] : (l ) 燃烧 波速 法计 算激 活能 ; (2 ) 反 应转 化率 法计算 激活能 . 2 种方 法均 可 由燃烧温度 曲线 分析得 到 . 理论 上 , 用 2 种方 法计算 的结 果应 该一 致 , 但 由于方法 l( )只 考虑 反 应初 始 阶段 ( 转 化率 叮` l) , 如果 在 燃烧 区 内反 应 不完全 , 即存在后 燃烧反 应 7[] , 在燃 烧 区 内的反应 温度 不能 够 达到最 高燃烧温 度 , 会影 响计算得到 的激活能值 . 方 法 ( 2) 同时 考虑 了最初 升温 阶段 和 最后 的 降温 阶段 切 二 l) , 它能够 计算在不 同时 间即在 不 同转化 率时 的激活 能值 . 对在燃 烧 区 内反 应不 完 全 的体系 , 用方 法 ( l) 计算 的激活 能值偏 高 6I] , 而 对于 在 燃烧 区 内反应 完全 的体 系 , 用 2 种方 法计算 的激活 能值相 差不 大 18] . 2 种方 法均 只适用 于稳 态 燃烧 体 系 . 前人 均未 用方 法 ( 2) 计 算过 iS 3 N 4 的激活 能 · 本 文 用此法 计算 了燃烧 合成 51 3 \ 激活 能 , 不 同燃 烧温 度 时的 热扩 散系数 , 以 及气相 传输剂 对激 活能 的影 响 . 1 实验 实验使用 的硅粉 初始 平均 粒度 为 16 . 74 卜m , 比表面 积为 .0 6 48 m Z / g , eF 含 量 ( 质量分 数 , 下均 同)为 1 , 02 % , 其余 杂质 含量 小 于 0 . 1 % ;稀释 剂 51 3 \ 平均 粒度 为 4 o m , 比表 面积 .2 29 m , / g , 氮 3 6 . 5 % , 游 离 5 1 0 . 5 4 % , 氧 2 . 2 0 % , C a 0 . 0 2 % , M g o . o l % , eF o . o l Z % , 声 一 5 1 3 \ 占 93 . 18 % , 月 一 is \ 占 6 . 82 0,e[ ,汽相传 输剂 NH 4 F 为分 析纯 . 实验 按 如 下 反 应式 进 行 : 3( ! 一 x) iS + 2( 1 一 x) 悦 + x is : \ 神 51 3 \ · 改 变稀 释 剂 含 量 (x) , 19 9 7 一 0 9 一 2 9 收稿 第一 作者 男 27 岁 博 士 * 国家 自然科学基金资助 项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 06. 010