D01:10.13374j.isml00103x2006.09.011 第28卷第9期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 9 2006年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2006 叠氨化钠联合卤化铵燃烧合成氨化硅粉体 王飞2》沈卫平1D葛昌纯D 1)北京科技大学特种陶瓷与粉末治金研究室，北京1000832)太原理工大学矿业工程学院。太原030024 摘要采用叠氮化钠作为固态氮化剂，同时以卤化铵作为活性稀释剂通过对燃烧温度特征曲 线和燃烧产物相组成的分析，研究了两者的协同作用对于燃烧合成氮化硅粉体的影响.研究结果 表明：叠氮化钠和卤化铵的热分解可增加硅粉内部孔隙率和氮气渗透性。也能为S一N反应提供内 部氮源.叠氮化钠和卤化铵均可作为S一N反应的催化剂可促进硅粉向氮化硅的氮化转变.叠氮 化钠联合卤化铵的使用能够有效地降低燃烧温度，使燃烧反应以低温模式进行，有利于a一SN4的 生成.随着反应物中叠氮化钠含量的增多，燃烧产物中α相氮化硅含量也相应地有所提高. 关键词氮化硅粉体：燃烧合成：叠氮化钠：卤化铵 分类号TF123:TQ038:TQ174 氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、低密度、耐 采用燃烧合成方法制备了α相含量约94%以上 磨蚀、抗氧化、热膨胀系数小、热导率高等优异性 的氮化硅粉体，并且初步探讨了叠氮化钠作为固 能，是一种优良的高温结构陶瓷近年来在世界范 态氮化剂联合卤化铵对燃烧合成氮化硅粉体的影 围内得到了高度重视和广泛研究.氮化硅粉体的 响作用以及两者在燃烧合成反应过程中参与的化 性能直接影响着氮化硅陶瓷的性能。对于氯化硅 学反应过程 粉体制备方法的研究也一直是材料科学工作者的 研究热点之一.常见的氮化硅粉体制备方法有硅 1实验 粉直接氯化法、碳热还原法、化学气相沉积法、燃 实验用初始硅粉的平均粒度为17.2“m,惰 烧合成法等.其中燃烧合成法(Combustion Syn- 性稀释剂为本实验室采用燃烧合成技术制备的氮 thesis)作为一种新型的材料合成先进技术在制备 化硅粉(（相含量93%），其平均粒度为2.2m. 陶瓷粉体、难熔材料、金属间化合物、复合材料等 初始硅粉和氮化硅粉体的化学组成见表1.图1 方面得到了广泛应用，其显著特点在于工艺简单、 为实验用惰性稀释剂氮化硅粉体的SEM形貌. 成本低廉、能耗小、生产周期短、产物纯度高. 铵盐活性稀释剂由氯化铵、氟化铵（均为分析纯） 采用燃烧合成技术制备氮化硅粉体己有诸多 以11的比例组成.固态氮化剂叠氮化钠纯度达 报道1，但多数产物均为高温稳定的BSi3N4. 98%以上. 因此，燃烧合成具有比BS3N4更高烧结活性的 表1初始硅粉和惰性稀释剂的化学组成（质量分数） 高（相氮化硅粉体的研究受到了广泛关注.在燃 Table 1 Chemical composition of the raw materials% 烧合成氮化硅粉体的制备过程中采用卤化铵（如 样品 Fe Al Ca NH4CI和NHF)作为活性稀释剂能够起到降低 0430.0250.12 ￥>98 燃烧温度，提高硅粉氯化程度等作用4响.采用叠 SigNa 0.5 37-381.51 氮化钠燃烧合成？S3N4也有文献报导79，但对 注：为未分析 于叠氮化钠联合卤化铵在燃烧合成氮化硅粉体过 将初始粉料按一定比例混合，以无水乙醇为 程中的影响作用的研究很少.本工作以叠氮化钠 介质用Z02球湿磨后烘千，过200目筛，然后装 作为固态氮化剂，同时以卤化铵作为活性稀释剂， 入多孔石墨坩埚中.再置于自制高压反应容器 收稿日期：2005-06-21修回日期.200603-20 中，抽真空后充入一定压力的氮气，把少量钛粉预 基金项目：国家高技术研究“863”计划资助项目(N0 先置于反应混合物端部作为点火剂，用点火电圈 2001AA33080) 作者简介：王飞(1972一.男.讲师，博士研究生：葛昌纯 钨丝点燃钛粉并引发反应混合物的燃烧合成反 (1934一).男.教授中国科学院院士 应.在试样心部插入直径为0.25mm的W-Re5/叠氮化钠联合卤化铵燃烧合成氮化硅粉体 王 飞1, 2) 沈卫平1) 葛昌纯1) 1)北京科技大学特种陶瓷与粉末冶金研究室, 北京 100083 2)太原理工大学矿业工程学院, 太原 030024 摘 要 采用叠氮化钠作为固态氮化剂, 同时以卤化铵作为活性稀释剂, 通过对燃烧温度特征曲 线和燃烧产物相组成的分析, 研究了两者的协同作用对于燃烧合成氮化硅粉体的影响.研究结果 表明:叠氮化钠和卤化铵的热分解可增加硅粉内部孔隙率和氮气渗透性, 也能为 Si-N 反应提供内 部氮源.叠氮化钠和卤化铵均可作为 Si-N 反应的催化剂, 可促进硅粉向氮化硅的氮化转变.叠氮 化钠联合卤化铵的使用能够有效地降低燃烧温度, 使燃烧反应以低温模式进行, 有利于α-Si3N4 的 生成.随着反应物中叠氮化钠含量的增多, 燃烧产物中α相氮化硅含量也相应地有所提高. 关键词 氮化硅粉体;燃烧合成;叠氮化钠;卤化铵 分类号 TF123 ;TQ 038 ;TQ 174 收稿日期:2005 06 21 修回日期:2006 03 20 基金 项 目:国 家 高 技 术 研 究“ 863” 计 划 资 助 项 目 (No . 2001AA33080) 作 者简介:王 飞(1972—), 男, 讲师, 博士研究生;葛昌 纯 (1934—), 男, 教授, 中国科学院院士 氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度 、低密度 、耐 磨蚀 、抗氧化、热膨胀系数小、热导率高等优异性 能,是一种优良的高温结构陶瓷,近年来在世界范 围内得到了高度重视和广泛研究 .氮化硅粉体的 性能直接影响着氮化硅陶瓷的性能, 对于氮化硅 粉体制备方法的研究也一直是材料科学工作者的 研究热点之一.常见的氮化硅粉体制备方法有硅 粉直接氮化法 、碳热还原法 、化学气相沉积法 、燃 烧合成法等.其中燃烧合成法(Combustion Syn￾thesis)作为一种新型的材料合成先进技术在制备 陶瓷粉体、难熔材料 、金属间化合物、复合材料等 方面得到了广泛应用 ,其显著特点在于工艺简单、 成本低廉 、能耗小、生产周期短 、产物纯度高. 采用燃烧合成技术制备氮化硅粉体已有诸多 报道[ 1 3] ,但多数产物均为高温稳定的 β -Si3N4 . 因此 ,燃烧合成具有比 β -Si3N4 更高烧结活性的 高(相氮化硅粉体的研究受到了广泛关注 .在燃 烧合成氮化硅粉体的制备过程中采用卤化铵(如 NH4Cl 和 NH4F)作为活性稀释剂能够起到降低 燃烧温度 ,提高硅粉氮化程度等作用[ 4 6] .采用叠 氮化钠燃烧合成β-Si3N4 也有文献报导 [ 7 9] , 但对 于叠氮化钠联合卤化铵在燃烧合成氮化硅粉体过 程中的影响作用的研究很少.本工作以叠氮化钠 作为固态氮化剂 ,同时以卤化铵作为活性稀释剂, 采用燃烧合成方法制备了 α相含量约 94 %以上 的氮化硅粉体, 并且初步探讨了叠氮化钠作为固 态氮化剂联合卤化铵对燃烧合成氮化硅粉体的影 响作用以及两者在燃烧合成反应过程中参与的化 学反应过程. 1 实验 实验用初始硅粉的平均粒度为 17.2 μm , 惰 性稀释剂为本实验室采用燃烧合成技术制备的氮 化硅粉((相含量 93 %), 其平均粒度为 2.2 μm . 初始硅粉和氮化硅粉体的化学组成见表 1 .图 1 为实验用惰性稀释剂氮化硅粉体的 SEM 形貌. 铵盐活性稀释剂由氯化铵、氟化铵(均为分析纯) 以 1∶1 的比例组成.固态氮化剂叠氮化钠纯度达 98 %以上 . 表 1 初始硅粉和惰性稀释剂的化学组成(质量分数) Table 1 Chemical composition of the raw materials % 样品 Fe Al Ca N O Si f Si 0.43 0.025 0.12 — ＊ >98 Si 3N4 0.5 ＊ ＊ 37 ～ 38 <1.5 <1 注:＊为未分析. 将初始粉料按一定比例混合, 以无水乙醇为 介质用 ZrO2 球湿磨后烘干, 过 200 目筛 ,然后装 入多孔石墨坩埚中.再置于自制高压反应容器 中,抽真空后充入一定压力的氮气 ,把少量钛粉预 先置于反应混合物端部作为点火剂, 用点火电圈 钨丝点燃钛粉并引发反应混合物的燃烧合成反 应.在试样心部插入直径为 0.25 mm 的 W-Re5/ 第 28 卷 第 9 期 2006 年 9 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.9 Sep.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.09.011