β-SiAlON燃烧合成反应机制和数学模型的研究

β-SiAlON has been attracting considerable attention on account of their their excellent mechanical and thermal properties, superior chemical stability. To synthesize SiAlON ceramics, the conventional method was to sinter high purity Si3N4, AlN, and Al2O3 under high temperature for several hours. This process shows the problems as high cost raw materials and high energy consuming. Combustion synthesis (CS), also known as self-propagating high-temperature synthesis (SHS), has been attracting growing interest on account of its capacity for energy conservation, short reaction time, and an ability to afford high purity products. Combustion synthesis is a very short and complex process, and it is difficult to in situ observe the transition reaction during the very short process (some minutes) and under the very high temperature (~2000℃). For solving this problem, we will establish a mathematical model on the CS process of β-SiAlON base on heat transfer theory. Because β-SiAlON is a kind of new material, there are rare property data which we can obtain directly from any existing database.Thereby, firstly we will measure the temperature curve by using heating the raw materials slowly, which works as a DSC apparatus. Due to the analyse of the temperature curve we can obtain these thermodynamic property data of ignition temperature, reaction enthalpy, and the activation energy. Then using the software of COMSOL Multiphysics to establish the mathematical model, with which we can simulate the temperature distribution and the conversion rate of the final product.

β-SiAlON作为一种性能优良的新型工程陶瓷，近年成为国际上关注的热点材料之一。因传统的烧结合成法费时耗能，而燃烧合成技术的发展为其提供了一种简单节能的合成方法。但是燃烧合成过程时间短（约几分钟），温度高（接近2000℃），致使各项过程参数无法直接精确控制。针对这一问题，本研究将基于传热学理论建立β-SiAlON燃烧合成过程的数学模型。而β-SiAlON作为一种新型材料，其大部分性能数据无法通过查询现有资料获得。因此，本项目首先根据示差扫描量热法原理，利用整体加热实验获取建立模型所必须的重要热力学参数- - 点火温度、反应热焓及反应活化能。利用COMSOL Multiphysics仿真软件中的化学工程模块，建立外部点火式β-SiAlON燃烧合成的数学模型，用来实现合成过程中任意时刻的温度场分布及产品转化率等的计算模拟，为该材料的大规模生产及应用提供一定的理论依据。

项目旨在研究燃烧合成β-SiAlON的反应机制，建立β-SiAlON燃烧合成的数学模型。其主要研究成果包括：基于示差扫描量热仪（DSC）的工作原理，利用加热式燃烧合成炉，自制高温高压DSC测试装置。根据测得的温度变化曲线，结合每个放热或吸热反应后XRD分析测得的产物成分，分析确定了以Si，Al，和SiO2为原料，在1MPa氮气气氛下燃烧合成β-SiAlON的反应过程及中间反应产物。特别是根据反应温度曲线的变化确定了反应的点火温度，并估算出了该反应的总的反应热焓。为建立精确的数学模型提供了理论依据和实验支持；燃烧合成的β-SiAlON粉体经火花等离子烧结制得相对密度大于98%的致密烧结体，采用激光闪光法测试获得了β-SiAlON烧结体的热导率及比热容随温度的变化函数。为数学模型的建立提供了热力学数据支持；模型建立过程中，基于β-SiAlON燃烧反应多元体系的复杂性，首先对中间反应过程中单一固—气反应Al-N2和Si-N2二元体系进行了不同条件下（氮气压力，稀释剂含量等）燃烧合成的测温实验，获得各种条件下的最高燃烧温度，燃烧波传播速率及最大升温速率等。计算获得了各反应的反应活化能，为构建数学模型提供了反应活化能的热力学参数；构建了体系的二维热传导数学模型，基于实际反应试样的形状，构建了二维热传导的圆柱坐标方程。初始热流根据点火时通入的电流计算获得，初始温度为环境温度，同时考虑传导及辐射造成的热损失；利用初步获得的反应过程热力学数据，代入COMSOL Multiphysics仿真软件，结合软件中的化学工程模块和传热模块对整个反应体系进行了模拟计算，得到了初步的温度场等模拟数据。在准备热导率测试样品中，另外对火花等离子烧结α/β-SiAlON及β-SiAlON的各种烧结参数对样品烧结过程的影响也进行了附加实验研究。为固-气反应，特别是SiAlON及Si3N4等氮氧化物陶瓷的研究提供了大量热力学数据，并为该类材料的实际大规模生产及应用提供了一定的理论依据。