硅铁闪速燃烧合成氮化硅铁

利用闪速燃烧合成新技术 ,以粒度≤ 0 .0 88mm的FeSi75硅铁细粉为原料 ,在 0 .2MPa的低氮气压力与 14 0 0℃的燃烧温度条件下 ,制备了细蜂窝状氮化硅铁。XRD和SEM分析结果表明 ,这种氮化硅铁主要由短柱状β Si3N4 相和Si3Fe相组成 ,其结构特征是以Si3Fe形成核心 ,并被Si3N4 包裹。同时 ,还用热力学原理探讨了由硅铁闪速燃烧合成氮化硅铁的工艺条件、形成产物的形式、反应的中间产物和残留金属的形态。热力学研究结论和实验检测结果相一致 。

闪速燃烧合成Fe_3Si-Si_3N_4复合粉体的基础研究

利用SEM和EDS等手段对原料FeSi75闪速燃烧合成产物的相组成和显微结构进行了分析。结果表明,产物Fe3Si-Si3N4复合粉体的结构单元是,以铁相材料为内核,外层包覆氮化硅的包裹体结构,其中铁相材料是Fe3Si和-αFe,表层氮化硅大多呈柱状结晶的-βSi3N4存在,α-Si3N4以微小圆形颗粒形式存在于致密层中。并对Fe3Si-Si3N4复合原料的高温稳定性及应用进行了初步探讨。

热力学相图计算技术在闪速燃烧合成氮化硅铁中的应用

将热力学相图计算技术应用于Si-Fe-O-N体系,以评估由FeSi75粉闪速燃烧合成氮化硅铁的条件和目标产物。结果表明:将闪速燃烧温度控制在1200～1500℃之间较为适宜,此时平衡态产物中除主要含有Si3N4以外,还有一定量的Fe与Si间化合物和少量稳定的SiO2存在。此计算结果与实际试验结果吻合良好。

闪速燃烧合成β-Si3N4

利用闪速燃烧合成技术,在0.2 MPa的氮气压力与1550℃的燃烧温度条件下,采用≤88 μm粒度的高纯Si细粉制备了细蜂窝状疏松块体Si3N4.X射线衍射分析表明,这种Si3N4主要为高温型β-Si3N4相,并含有一定量的Si2N2O相.热力学分析表明:在0.1 MPa常氮气压下,可以闪速燃烧合成Si3N4;由于体系中有一定的氧分压,产物中有一定量的Si2N2O生成.通过实验和分析,认为闪速燃烧合成技术是燃烧合成Si3N4的理想的工艺技术.

闪速燃烧合成氮化硅铁的氮化机理

以硅铁合金Fe Si75为原料,研究了闪速燃烧合成氮化硅铁的氮化机理。结果表明:在氮化过程中,首先是硅的活性氧化,硅被氧化生成气态Si O,使得体系氧分压降低,当氧分压p(O2)≤10–20 MPa(T=1 823 K)时,Si与N2(g)直接反应形成氮化硅,气态Si O最终与N2(g)发生反应生成氮化硅。硅铁合金Fe Si75中的Fe Si2与Fe0.42Si2.67没有促进氮化硅的形成,且与未参与氮化反应的硅反应形成Fe3Si。氮化硅铁的主要物相为氮化硅和Fe3Si,其中存在大量的柱状氮化硅,Fe3Si被柱状Si3N4包裹,呈孤立状态。

闪速燃烧合成的Fe-Si_3N_4中Fe_xSi粒子的形成机理

采用SEM、EDS等手段研究了闪速燃烧合成的氮化硅铁及其原料FeSi75的组成、结构,并结合闪速燃烧合成工艺和热力学分析,揭示氮化硅铁中FexSi粒子的形成机理.结果表明:在以74μm的FeSi75氮化制备氮化硅铁过程中,金属硅和ξ(FeSi2.3)相中部分硅氮化为氮化硅,而氮化硅铁中FexSi粒子则来源于ξ相的氮化;当ξ相被氮化到其中的[Si]摩尔分数降低近25%时,[Si]的活度aSi趋于0,氮化趋于平衡,ξ相中不能被继续氮化的部分即为FexSi粒子,其Fe∶Si原子比例大约为3∶1;FexSi粒子的大小、均匀分布状况与ξ相颗粒粒径大小及分布状况有关.

还原气氛下闪速燃烧合成氮化硅铁的高温行为

为模拟闪速燃烧合成氮化硅铁在工作环境中的高温行为,研究了高温还原气氛下氮化硅铁的存在状态。根据热力学计算,采用在空气气氛中埋碳升温的方法,控制氧气分压在较低水平,将氮化硅铁样品分别升温至1 300℃及1 500℃,保温300 min后迅速水冷,以保存高温下样品的微观结构。采用X射线衍射和扫描电子显微镜表征样品的物相组成和微观结构。结果表明:室温下氮化硅铁的物相组成为α-Si3N4、β-Si3N4、SiO2和Fe3Si。在高温还原条件下,α-Si3N4转变为β-Si3N4,二氧化硅逐渐分解,而Fe3Si相未发生变化,氮化硅逐渐离解为小颗粒,比表面积增大,氮化硅反应活性提高,表面形成Si2N2O相。

铁元素在氮化硅铁中的存在状态

用化学分析、XRD,SEM,EDS等检测手段,首次对闪速燃烧工艺制备的新型合成原料———氮化硅铁(FeSi3N4)中铁元素的存在状态进行了研究。结果表明:以小于0.074mm的FeSi75颗粒为原料制备氮化硅铁时,FeSi75颗粒表面的硅原子氮化形成氮化硅包覆层,硅铁受热熔化;随着硅的持续氮化减少,铁含量相对增加,硅的氮化难度加大;最后,铁以Fe3Si和αFe两种形式保留下来,并且主要分布于氮化硅粉体颗粒的内部,并用热力学进行了分析。

Fe-Si_3N_4-C体系中Fe元素的作用机理

以闪速燃烧法合成的Fe-Si3N4粉、炭黑和Si3N4粉为原料,按Fe-Si3N4与C及Si3N4与C均为3.5:1的质量比配料,以酚醛树脂为结合剂混练后制成25mm×20mm的试样,经110℃24h干燥后分别在埋炭(石墨)条件下于1300、1450、1500、1550、1600℃保温3h处理后快速水冷,然后将淬冷的试样烘干进行XRD、SEM、EDS检测分析。结果表明:Si3N4-C材料在1500℃时反应形成SiC,1600℃时仍有较多Si3N4存在;而Fe-Si3N4-C材料在1450℃时已形成大量SiC,且1500℃时Si3N4基本都转化为SiC,Fe的存在使其转化速度加快,转化温度降低;Fe-Si3N4中的Fe3Si在C存在条件下,通过形成Fe-Si-C熔体,Fe分解Si3N4并吸纳其中的Si而成为Fe-Si-C系高硅过渡中间相,继而与C反应生成SiC或在熔体中析出SiC晶体,实现Fe对Si3N4向SiC转化的促进作用。

氮化硅铁及其在耐火材料中的应用?

氮化硅铁是近年来高温材料领域的新型复相材料,主要由氮化硅和硅铁合金组成。自20世纪70年代以来,氮化硅铁作为高炉用炮泥材料取得了良好的使用效果,但其制备成本过高制约了进一步的发展。20世纪90年代,北京科技大学无机非金属结构材料研究室利用闪速燃烧合成技术实现了氮化硅铁高性价比的大规模产业化制备,大大推动了氮化硅铁材料的研究与应用,在铁钩浇注料等领域取得了良好的使用效果。本文介绍了氮化硅铁的制备、结构及性能,分析了闪速燃烧合成氮化硅铁的工艺原理,总结了氮化硅铁在不同应用环境下的使用性能,以及目前的应用状况,并展望了氮化硅铁材料的研究方向及其潜在的应用领域。

合成工艺对氮化硅铁物相和结构的影响

以硅铁合金(FeSi75)为原料,分别采用闪速燃烧合成工艺和自蔓延高温合成工艺制备氮化硅铁样品,利用X射线衍射仪和扫描电镜对样品进行了表征,探讨了合成工艺对氮化硅铁物相和显微结构的影响。采用闪速燃烧工艺合成的氮化硅铁相组成为β-Si3N4,α-Si3N4,Fe3Si和少量SiO2;而采用自蔓延高温合成的氮化硅铁由β-Si3N4,α-Si3N4,Fe3Si和Si2N2O组成。闪速燃烧合成的氮化硅铁样品中存在大量长径比较高的柱状氮化硅晶体,Fe3Si位于柱状结晶所包裹材料的内部;自蔓延高温合成的氮化硅铁显微结构为致密的氮化硅块体,在块体表面覆盖有氧氮化硅膜,块体的间隙存在晶形细小的氮化硅晶体,含铁组分镶嵌在致密的块体中。闪速燃烧合成的氮化硅铁结构疏松,活性较强;自蔓延高温合成的氮化硅铁结构致密,性质稳定。