北京科技大学科技成果——燃烧合成氮化硅基陶瓷

北京科技大学科技成果——燃烧合成氮化铝基先进陶瓷项目简介氮化铝（AlN）陶瓷具备优异的综合性能，是近年来受到广泛关注的新一代先进陶瓷，在多方面都有广泛的应用前景。

例如高温结构材料、金属溶液槽和电解槽衬里，熔融盐容器、磁光材料、聚合物添加剂、金属基复合材料增强体、装甲材料等。

尤其因其导热性能良好，并且具备低的电导率和介电损耗，使之成为高密度集成电路基板和封装的理想候选材料，同时氮化铝-聚合物复合材料也可用作电子器材的封装材料、粘结剂、散热片等。

氮化铝在微电子领域应用的市场潜力极其巨大。

氮化铝还是导电烧舟的主要成分之一，导电烧舟大量地用于喷涂电视机的显像管等器件、超级市场许多商品包装用的涂铝薄膜，有着广泛的市场。

但是影响氮化铝基陶瓷的推广的主要因素之一，是采用传统方法合成氮化铝粉末，耗能高，生产周期长，生产成本高。

本项目采用具有自主知识产权的创新技术，采用燃烧合成技术制取优质的氮化铝陶瓷粉末，具有耗能低，生产周期短，杂质含量低，生产成本低等特点，具有广泛的推广价值。

燃烧合成（Combustion Synthesis，CS），又名自蔓延高温合成（Self-Propagating High-Temperature Synthesis，SHS），是利用化学反应自身放热合成材料的新技术，基本上（或部分）不需要外部热源，通过设计和控制燃烧波自维持反应的诸多因素获得所需成分和结构的产物。

自1994年以来，本项目负责人等针对燃烧合成氮化铝陶瓷产业化的一系列关键问题，在气-固体系氮化铝基陶瓷的燃烧合成热力学、动力学和形成机制等方面进行了深入研究后得到的创新成果。

本项目来源于国家教委高校博士点专项科研基金项目（1994.3-1997.3）。

本项目以应用基础研究成果“燃烧合成氮化铝基陶瓷的应用基础研究”已于1999年通过专家函审。

采用本项目的技术，可以生产符合制作先进陶瓷要求的氮化铝粉末，还可根据用户要求，用此技术生产氮化铝基陶瓷粉末。

北京科技大学科技成果——纳米钛酸钡基电子陶瓷粉体的溶胶-凝胶自燃合成产业化项目简介铁电陶瓷粉体及其集成器件的研究与开发是目前最为活跃的领域。

大部分铁电陶瓷是钙钛矿型复氧化物，其中最为重要的是BaTiO3基氧化物陶瓷。

BaTiO3是在第二次世界大战的1942年到1945年间，由美国、苏联、日本各自发现的高介电常数、强介电体的材料。

由于其具有优越的介电、压电、铁电性能，被广泛应用于制备各种陶瓷电容器、微波器件、铁电存储器、温度传感器、非线性变阻器、热敏电阻、超声波振子、蜂窝状发热体等电子器件。

随着现代科学技术的飞速发展和电子元件的小型化、高度集成化，需要制备与合成符合发展要求的高质量的钛酸钡基陶瓷粉体。

纳米BaTiO3基电子陶瓷具有独特的绝缘性、压电性、介电性、热释电性和半导体性为元器件的小型化、集成化带来可能，大大提高了产品的附加值和市场竞争力。

如采用纳米BaTiO3粉末制多层电容器，可以显著减薄每层厚度增加层数，从而大大提高电容量和减小体积。

因此，低成本合成钛酸钡基纳米陶瓷粉体对我国信息产业、电子工业等的发展具有重要的意义。

溶胶-凝胶自燃合成（Sol-gel Auto ignition Synthesis，SAS）是九十年代伴随着高温燃烧合成的深入研究和超纯、超细氧化物陶瓷的制备而出现的一种低成本制备与合成单一氧化物和复杂氧化物的技术。

它是指有机盐凝胶或有机盐与金属硝酸盐在加热过程中发生氧化还原反应，燃烧产生大量气体，可自我维持并合成所需燃烧产物的材料合成工艺。

它的主要的特点有以下几点：1、燃烧体系的点火温度低（150℃-200℃），一般为有机物的分解温度；2、燃烧火焰温度较低（1000℃-1400℃），燃烧时产生大量气体，可获得具有高比表面积的陶瓷粉体。

高温燃烧合成燃烧温度一般高于1800℃，合成的粉体粒度较粗，而SLCS则可制得纳米粉末；3、各组分达到分子或原子水平的复合；4、反应迅速：燃烧合成一般在几分钟内完成；5、所合成的粉体疏松多孔，分散性良好；6、耗能低；7、所用设备和工艺简单、投资小；8、自净化：由于原料中的有害杂质在燃烧合成过程中能挥发逸出，所以产品纯度易于提高。

化学激励燃烧合成SiC超细粉末的工艺和机理研究
蔡海荣;陈大英;李江涛
【期刊名称】《硅酸盐学报》
【年(卷),期】2002(30)3
【摘要】研究了利用聚四氟乙烯 (-C2 F4 -) n 作活化剂时Si/C混合粉末在氮气中的燃烧行为 .结果表明 :少量聚四氟乙烯的加入就可有效激励Si -C弱放热反应 ,使之以燃烧合成方式生成SiC .氮气参与反应时可进一步提高燃烧反应温度 ,并且首先以气相 -晶体机制生成Si3N4 ,然后在反应前沿分解为SiC .调整工艺参数可获得亚微米级SiC粉末 .综合X射线衍射、差热 /热重分析及扫描电镜观察 ,提出了Si-C -N -(-C2 F4 -) n 体系中的燃烧反应机制 ,并从热力学角度对实验结果进行了讨论 .【总页数】5页(P393-397)
【关键词】化学激励;SiC;超细粉末;工艺;燃烧合成;碳化硅;亚微米粉末;陶瓷材料;反应机理
【作者】蔡海荣;陈大英;李江涛
【作者单位】北京科技大学无机非金属材料系
【正文语种】中文
【中图分类】TQ174.758;TQ174.1
【相关文献】
1.激光气相法合成Sic超细粉的生成机理研究 [J], 刘兵;曹茂盛
2.化学激励燃烧合成Si_3N_4/SiC复合粉体的研究 [J], 蔡海荣;田士勇;李江涛;徐
久军
3.化学气相反应法合成SiC超细粉的成核和生长过程的研究 [J], 杨修春;韩高荣;杜丕一;丁子上
4.溶胶—凝胶法合成SiC—AIN复合超细粉末的机理研究 [J], 周松青;肖汉宁;杜海清
5.燃烧法合成高纯β-SiC超细粉的工艺参数 [J], 张利锋;燕青芝;沈卫平;葛昌纯因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

科技成果——燃烧合成高纯Si3N4粉体技术开发单位中科院理化技术研究所
项目简介
Si3N4陶瓷因其具有优异的高强度、高硬度、耐磨性和抗化学腐蚀等性能，被广泛用于陶瓷刀片、轴承、拉丝模、轧辊等方面。

本项目采用控温活化燃烧合成技术可以制备出高性能的α-Si3N4陶瓷粉体，并能有效控制其成本，使产品具有可观的利润空间。

技术特点
国际上Si3N4粉末制备方法很多，其中碳热还原氮化法和硅粉直接氮化法是常用的两种，这两种方法氮化时间都很长，一般为每周期72小时。

所制备的氮化硅粉末价格也较高。

控温活化燃烧合成，一方面利用活化技术改变反应路径，另一方面采用控温技术，避免高温稳定相β-Si3N4的生成，α-Si3N4含量高达95%以上。

它具有：
1、反应迅速：一般在30min-1h内完成合成反应；
2、耗能低：除启动反应所需极少量的能源外，不需要外部热量的传入；
3、设备简单、投资小、通用性强；
4、烧结活性高。

市场情况
国际市场对氮化硅粉体的总需求为350吨，国内市场尚需开拓，目前需求量大约在30吨/年左右。

如果将硅基陶瓷粉体应用到高级耐
火材料，其市场将大大地扩大，其中氮化硅结合碳化硅制品，其潜在市场非常巨大。

投资与效益
建立一个年产30吨的生产线，设备投资约200万元左右。

目前国际市场粉体氮化硅粉体的平均价格约为45美元/公斤，同类产品国内市场售价为300-350元/公斤，而以该技术合成的α-Si3N4粉体的成本可控制在60元/公斤以内，效益十分显著。

合作方式
技术转让、技术入股。

北京科技大学科技成果——新型高炉陶瓷杯材料-塑
性相结合刚玉复合砖
项目简介
北京科技大学材料科学与工程学院与巩义市中原耐火材料有限公司等单位合作采用最新科技自主研制开发的塑性相结合刚玉复合砖是一种最新型的高技术的高炉炉缸用陶瓷杯耐火材料，它是采用金属与非金属结合在一起的复合材料，优于广泛使用的Sialon-Al2O3制品。

在原刚玉碳化硅复合砖中添加金属塑性相研制而成，砖中塑性相与陶瓷基质复合，提高了材料的韧性；活泼的金属相在高炉气氛中可以原位生成氮化物、氧氮化物及其复合物，大大提高了耐火材料的强度与抗渣、铁侵蚀性能。

金属塑性相结合刚玉复合材料的具体特点如下：
1、具有优良的物理及力学性能和很高的抗铁水渗透和冲刷的能力；
2、材料具有良好的抗热应力的能力
3、制品具有很高的抗渣、铁及碱的能力，材料的抗铁水侵蚀指数为0%，抗炉渣侵蚀指数为8.44%，抗碱侵蚀评价达“优Ⅱ”；
4、具有自修复、自生成抗渣铁侵蚀层的材料。

具体指标：
体积密度：3.15g/cm3，常温耐压强度：132MPa，高温抗折强度：17.8MPa（1400℃×30min），抗渣侵指数：8.44%，抗铁侵指数：0%，
抗碱侵评价：优（U）。

经权威机构查询，该项技术属国内外首创，生产的产品达到国外相似产品的领先水平。

该产品荣获河南省科技进步二等奖。

经济效益及市场分析
产品根据品种的不同，售价在1万元/吨以上，投资800万元，回收期在达到产量后4年。

北京科技大学科技成果——SHS离心法制备陶瓷复合钢管成果简介自蔓延高温合成（Self-propagating High-temperature Synthesis，缩写SHS），也称为燃烧合成，是利用化学反应放热合成材料的新技术，具有省时、节能、产品纯度高等特点。

SHS离心法制备陶瓷复合钢管利用Al和Fe2O3之间的自蔓燃反应2Al＋Fe2O3→2Fe＋Al2O3＋836kJ，反应放热使Fe和Al2O3均熔化，在离心力作用下Fe和Al2O3两相由于比重差异产生分离，Al2O3浮在表面，凝固后在钢管内形成陶瓷衬层。

SHS离心法制备陶瓷复合钢管，在863计划“八五”和“九五”的支持下，经过近十年的努力，开发了陶瓷复合钢管的工业化技术和装备，获国家发明专利ZL901077443。

已形成规模化生产的成熟技术，生产工艺主要由钢管加工、粉料的准备和复合管的合成等过程组成。

目前已能生产出各种规格（φ20-φ820mm）的陶瓷复合钢管、弯头、三通及四通等。

成果已通过部级鉴定，产品性能达90年代国际先进水平，并荣获国家技术发明四等奖、教育部科技进步二等奖。

SHS离心法制备陶瓷复合钢管被列为国家高技术863计划新材料领域的重点产业化项目，以北京科技大学为技术依托单位的“陶瓷内衬钢管”项目，被列为国家科委九五科技成果重点推广计划的206个工业项目之一（编号98040102A）。

陶瓷复合钢管具有优异的耐磨、耐蚀、耐热、抗热冲击和抗机械冲击综合性能，陶瓷硬度Hv1300，压溃强度300MPa，结合强度15MPa，耐蚀性（在HCl中）0.05g/m2h。

陶瓷复合钢管广泛应用于电力、矿山、冶金、煤炭、化工、建筑等行业，可用于煤粉、灰渣、矿粉、尾矿、回填料、焦炭、水泥的输送，以及铝液、腐蚀介质的输送。

用作耐磨管寿命是普通钢管的5-20倍，稀土耐磨钢的3-5倍，铸石管的3倍。

高炉煤粉喷枪的寿命提高4倍。

另外陶瓷复合钢管重量轻，并可采用焊接、法兰或柔性快速接头联接，能降低工程造价。

氮化硅陶瓷的制备工艺及其热力学性能分析氮化硅陶瓷是一种新型的高性能陶瓷材料，具有很高的硬度、热稳定性和化学稳定性，因此在航天、电子、汽车等领域得到了广泛的应用。

本文将重点介绍氮化硅陶瓷的制备工艺和热力学性能分析。

一、氮化硅陶瓷的制备工艺氮化硅陶瓷的制备工艺通常采用化学气相沉积（CVD）或反应烧结法。

其中，CVD是一种制备高质量氮化硅薄膜和涂层的重要方法，而反应烧结法则是一种制备块状氮化硅陶瓷的主要方法。

1. CVD制备氮化硅陶瓷CVD是一种通过在高温下将气体化学物质分解并沉积在衬底上的方法，常用的沉积物包括氧化物、氮化物和碳化物等。

在制备氮化硅陶瓷时，主要反应如下：SiH4 + NH3 → Si3N4 + 3H2其中，SiH4是硅烷，NH3是氨。

这个反应产生的氮化硅沉积物具有相对均匀的成分和微细的晶体尺寸，因此CVD是一种制备高质量氮化硅薄膜和涂层的重要方法。

2. 反应烧结法制备氮化硅陶瓷反应烧结法是指将粉末状的硅和氨在高温下反应生成氮化硅块状陶瓷。

这种方法主要有两个步骤：首先是化学反应生成氮化硅的粉末，然后在高温下进行烧结。

一般的反应方程式为：3Si + 4NH3 → Si3N4 + 6H2硅和氨的混合物首先被热反应生成Si3N4的粉末，然后这些粉末被压缩并烧结成块状氮化硅陶瓷。

反应的烧结温度通常在1700°C以上，并且需要在高真空或惰性气体气氛下进行，以避免氮化硅被氧化。

二、氮化硅陶瓷的热力学性能分析氮化硅陶瓷具有很高的硬度、热稳定性和化学稳定性，这些特性源于其良好的热力学性能。

本节将介绍氮化硅陶瓷的主要热力学性质，包括热膨胀系数、比热容和热导率。

1. 热膨胀系数热膨胀系数是指材料在温度变化下的长度变化率。

对于氮化硅陶瓷来说，其热膨胀系数相对较小，通常在4-5×10^-6/°C左右，这意味着该材料在高温下具有较好的热稳定性和机械稳定性。

2. 比热容比热容是指单位质量材料在吸热或放热过程中所需的热量。

北京科技大学科技成果——表面铸渗金属陶瓷梯度材料
成果简介
北京科技大学特种陶瓷研究室开发出一种在金属表面铸渗金属陶瓷梯度材料的技术，其应用前景极其广阔。

本项目可在钢铁，铜，铝等金属的铸造过程中，充分利用铸造金属的热能，用燃烧合成，多孔材料和梯度材料的技术在铸件的表面形成一层毫米级厚度的含碳化物或硼化物等的金属陶瓷梯度材料层。

此金属陶瓷梯度材料层与基体是冶金结合，结合牢固。

本项目可根据耐磨，耐蚀的具体要求，在一定的范围内对表面铸渗金属陶瓷梯度材料的厚度，硬度，强度，韧性和耐蚀性进行设计。

本项目产品的基本工艺为铸造和燃烧合成等技术的结合。

可在复杂形状和较大尺寸的铸件需要的表面进行铸渗。

本项目与大多数表面技术相比，具有表面层厚度大，结合牢固，能耗低，可在铸件任意表面进行等显著优点。

本项目可广泛用于水泥、矿山、冶金、机械、石油、化工等各个行业。

经济效益及市场分析
本项目产品市场广阔，可产生显著的经济效益和社会效益。

最小投资100万元。

回收期少于3年。

合作方式
技术转让、技术入股或者其它合作方式。

燃烧合成陶瓷材料的研究
陶瓷材料在现代工业生产以及日常生活中都扮演着重要的角色。

传统的陶瓷制备过程通常需要高温烧结，因此存在着能源消耗大、生产效率低及产品质量难以保证等问题。

为解决这些问题，近年来，一种名为“燃烧合成”技术逐渐被应用于陶瓷材料的制备中。

燃烧合成技术是一种以固体燃料为原料，在一定条件下发生自燃反应的技术。

反应过程中，燃烧产物以及气体的排放可以促进原材料的反应，从而实现短时间内高度纯净的产品制备，同时具有能耗低、成本低、易于控制及产品质量高等优势。

近年来，燃烧合成技术被广泛应用于陶瓷材料的制备中。

典型的燃烧合成陶瓷材料包括氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆等材料。

这些材料具有高强度、高抗磨损性、高温抗氧化性等优良特性，广泛应用于航空、能源、材料等领域。

以氮化硅为例，其燃烧合成反应式为Si3N4+3.5O2=SiO2+3N2；反应中放出的热量以及气体排放促进原材料的反应，并实现陶瓷材料的制备。

此外，其它参数如燃烧反应的时间、燃料种类和制备条件等也会影响最终的产品性质。

因此，燃烧合成陶瓷材料的制备不断引起学术界及工业界的关注，其研究被广泛地展开。

燃烧合成技术的发展带动了陶瓷材料的创新和发展，同时也提高了生产效率和产品质量。

与传统制备工艺相比，燃烧合成技术具有独特的优势，控制精度高、批量大、原材料利用率高以及生产成本低，因此燃烧合成制备陶瓷材料的技术前景是十分广阔的。

总之，燃烧合成技术的应用极大地促进了陶瓷材料的发展，同时也涉及了众多的学科领域，如化学、材料、工程等。

在未来的发展中，燃烧合成技术的研究将更加深入，也将进一步推动这一领域的创新和发展。