悬浮态硅氮“燃烧”反应制备氮化硅超细粉及其热质相互作用机理研究

氮化硅是一种优质的耐火陶瓷材料，目前国内所需优质α相氮化硅粉主要从日本UBE和德国Starck公司进口，但其生产负荷已达极限，产品供不应求，中国只能限量进口，且价格已达1000元/公斤；国产氮化硅粉质量不稳定，未能获得商家认可。因此目前急需寻找成本合适、可大批量连续生产优质氮化硅超细粉的适宜方法。本项目提出基于悬浮态硅氮"燃烧"反应常压连续制备氮化硅超细粉的新方法，以微米级硅粉为原料，氮化温度在1410℃(硅粉熔点)以上，硅粉与氮气处于稀相气力输送悬浮状态，可快速、连续、低成本制备氮化硅超细粉。本项目目标是研究不同温度下硅粉熔化和液化时表面剥落(促进粒度细化)机制，氮化硅产物层剥落临界尺寸，氮气在氮化硅产物表面的扩散机理；温度和气氛对硅氮燃烧反应速率、产物粒径和晶相的影响；温度和气氛对非晶氮化硅晶化过程的影响等，这些问题的研究对连续规模化生产高α相含量优质氮化硅超细粉具有重要意义。

氮化硅是一种优质的耐火陶瓷材料，目前国内所需优质α相氮化硅粉主要从日本UBE和德国Starck公司进口，但其生产负荷已达极限，产品供不应求；国产氮化硅粉质量不稳定，未能获得商家认可。本项目提出了基于悬浮态硅氮"燃烧"反应常压连续制备氮化硅超细粉的新方法，以微米级硅粉为原料，氮化温度在1410℃以上，硅粉与氮气处于稀相气力输送悬浮状态，可快速、连续、低成本制备氮化硅超细粉。.设计并搭建了一套超细硅粉流态化连续供料装置，研究了超细硅粉在振动搅拌流化床中的夹带特性。提高粗细颗粒质量比和振动强度可以提升夹带特性，而粗细颗粒粒径比、静态床层高径比和搅拌转速均存在使夹带特性达到最优的最佳值。.进行了固定床硅粉高温常压直接氮化实验，得到了氮化温度、反应气体中氢气添加比例和原料硅粉粒度等因素对硅粉直接氮化过程的影响。实验结果表明，提高氮化温度，向反应气体中添加适当比例的氢气，减小硅粉平均粒径等方法均可以明显提高硅粉的氮化速率。.分别建立了单个硅颗粒氮化反应、颗粒内应力产生及发展、产物层破裂及剥落、表面氧化层分解等动力学模型。提出了硅颗粒氮化过程中的应力产生机理，并根据弹性力学理论计算了颗粒内部的应力分布，确定了产物层破裂和剥落的条件。计算结果显示，对于粒径为2 μm的硅颗粒，其破裂产物层的厚度约为70 nm。.采用硅颗粒氮化动力学模型进行了单个硅颗粒氮化反应数值模拟，将模拟结果与流态化条件下的氮化反应实验数据进行对比，验证了模型的合理性。与本文开展的固定床氮化反应实验数据进行对比，发现流态化条件下硅粉以单颗粒形式参与反应比固定床反应在氮化速率上有较大提升。.结合硅颗粒氮化动力学模型，采用Euler-Lagrange方法对硅粉输送床内的氮化反应过程进行了数值模拟。模拟结果表明，随着反应温度的提高，添加氢气对氮化速率的提升作用减弱，而当温度达到1550 ℃时，添加氢气对缩短硅粉完全氮化时间的作用微弱。.对添加硅粉的非晶氮化硅粉在氮气气氛下和氩气气氛下的晶化特性进行了实验研究。研究结果表明硅粉可以有效促进非晶氮化硅粉的晶化过程，产物主要由α-Si3N4、Si2N2O和残余Si组成，产物形貌主要为长柱状或不规则棒状。在氮气中添加5%的氢气，对非晶氮化硅粉晶化过程没有显著影响，也无法避免产物中形成Si2N2O晶体。在氩气气氛下硅粉添加比例越高，产物晶体颗粒的长径比越小，晶体颗粒越细小。