硅粉聲場(chǎng)流態(tài)化及直接氮化研究.pdf

1、氮化硅是一種高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料，其物理化學(xué)性能優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室、高溫軸承、導(dǎo)彈以及雷達(dá)天線罩、電熱塞等制作中，特別是全陶瓷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，或許將帶給汽車工業(yè)一場(chǎng)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(yīng)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(jiǎn)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(yīng)強(qiáng)烈的流化床技術(shù)相結(jié)合的流化床制備氮化硅粉技術(shù)是解決上述問題的突破口。本文基于國(guó)家自然科學(xué)基金“流化床中直接氮化硅機(jī)理研究(No.50676084)”課題，研究流化床中直接制取氮化硅的機(jī)理，主要內(nèi)容如下:
　　(1)聲場(chǎng)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(chǎng)條件下的冷態(tài)流化特性研究發(fā)現(xiàn)，聲場(chǎng)的引入可改善硅粉顆粒的流化特性。隨著聲壓級(jí)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(jí)變化情況下，臨界流化速度變化幅度越大;聲頻率對(duì)顆粒的流化特性作用相對(duì)較為復(fù)雜;通過聚團(tuán)力平衡模型分析，得到流化聚團(tuán)尺寸預(yù)測(cè)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(yīng)時(shí)間的可控性，研究硅粉在不同溫度、氣氛和反應(yīng)時(shí)間條件下的直接氮化特性。三種牌號(hào)的硅粉在氮化過程中表現(xiàn)出兩種晶體生長(zhǎng)方式，牌號(hào)為441的硅粉表現(xiàn)為垂直硅面的晶體生長(zhǎng)，而3N和Si-1硅粉則變現(xiàn)為包覆式生長(zhǎng);整個(gè)硅氮反應(yīng)

4、過程可分為動(dòng)力學(xué)控制階段和擴(kuò)散控制階段，硅蒸汽壓力控制著擴(kuò)散反應(yīng)階段反應(yīng)速度，而整體反應(yīng)速度由擴(kuò)散反應(yīng)階段控制;從總轉(zhuǎn)化率來看，牌號(hào)為441的硅粉在同等條件下獲得了較高的轉(zhuǎn)化率，溫度變化對(duì)α相和β相氮化硅轉(zhuǎn)化率的影響較為復(fù)雜;通過由阿累尼烏斯公式導(dǎo)出的lnln分析法作圖獲得硅氮反應(yīng)在反應(yīng)初期反應(yīng)級(jí)數(shù)為2～3，是晶體成核和生長(zhǎng)的過程，基于產(chǎn)物的SEM圖片也得到一致的結(jié)果。
　　(3)高溫流化床中硅粉直接氮化試驗(yàn)研究:在自行設(shè)計(jì)建造的

5、帶物料循環(huán)回送系統(tǒng)的高溫(＞1600℃)流化床反應(yīng)器上，試驗(yàn)研究硅粉在其中的直接氮化反應(yīng)特性。結(jié)果表明，對(duì)于牌號(hào)為441以及Si-1兩種硅粉，氮化反應(yīng)溫度升高α相和β相氮化轉(zhuǎn)化率提高，粒徑較小的牌號(hào)441硅粉的氮化轉(zhuǎn)化率更高;由于硅粉在循環(huán)過程中反應(yīng)區(qū)的停留時(shí)間較短，與熱重實(shí)驗(yàn)相比，氮化轉(zhuǎn)化率相對(duì)偏低;氫氣反應(yīng)氣的添加，可促進(jìn)硅氮反應(yīng)過程，對(duì)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(zhuǎn)化率提高不明顯的情況下，β相氮化硅轉(zhuǎn)化