摘要: 随着现代科技的迅速发展，各种复合材料的优异性能越来越引起了世界各国材料科学工作者的极大关注，各种复合材料的研究日新月异，取得了很大的发展。而晶须是制备各种复合材料的主要补强增韧材料之一。在众多的晶须中，氮化硅晶须具有良好的抗热冲击... 展开 随着现代科技的迅速发展，各种复合材料的优异性能越来越引起了世界各国材料科学工作者的极大关注，各种复合材料的研究日新月异，取得了很大的发展。而晶须是制备各种复合材料的主要补强增韧材料之一。在众多的晶须中，氮化硅晶须具有良好的抗热冲击能力，耐高温性和耐腐蚀、抗热震性，化学稳定性高，电绝缘性好以及中等热传导性等特点，其研究得到迅速的发展。 虽然近年来氮化硅晶须的制备工艺有了一定的进展，但是由于受生成成本的限制，目前氮化硅晶须的研究与应用还是受到很大限制。因此寻求廉价的原料来制备高性能的氮化硅晶须并研究其制备工艺是研究的重点之一。本文的目的就是利用廉价的稻壳合成Si3N4纳米晶须，研究合成氮化硅晶须的最佳工艺条件，使合成Si3N4晶须的成本降低。 本文首先研究了稻壳的理化性能；分析了合成氮化硅晶须的热力学，动力学条件，从理论上分析了合成氮化硅晶须的可行性以及影响因素；讨论了制备氮化硅晶须的影响因素(合成温度，催化剂的用量，保温时间，氮气压力等等)优选出了最佳工艺条件；最后对氮化硅晶须的生长机理进行了分析。 本文取得了如下主要成果：1通过对完全燃烧后的稻壳灰的成分以及显微结构的研究，得出稻壳灰中含94.37％SiO2,其中还含有少量的Fe，K，Al等其他元素物质；稻壳灰中含有直径约为50～100nm的SiO2纳米凝胶粒子，为制备纳米级的氮化硅晶须提供了较为有利的条件。不完全燃烧稻壳所形成的黑粉为黑色颗粒，具有空心网状结构。 2通过对合成氮化硅晶须的热力学、动力学条件的分析，得出温度、气氛压力对合成氮化硅晶须具有一定的影响，只有在过饱和度S小于临界饱和度的时候(p/pe)crit且较低时才会有晶须的生成；SiO的逸出是合成氮化硅反应的速率控制步骤。 3讨论了纳米氮化硅晶须的制备工艺，优选出了最佳工艺条件：Fe：SiO2质量比为0.004～0.006，PN2=0.11MPa，合成温度1400℃，保温60min；所得的晶须为α-Si3N4，直径最小，大约在60nm～200nm之间，长径比为30～100之间。 4研究了合成温度对合成氮化硅晶须的影响。不加催化剂的碳化稻壳制备氮化硅晶须，合成的温度较高，1450℃晶须直径较细小，直径约为1.0μm～1.5μm之间，为α-Si3N4；在1480℃时晶须的直径为1.5μm～3.5μm之间，长径比减小，为α-Si3N4与β-Si3N4混和晶须。 5研究了催化剂对合成氮化硅晶须的影响。使用Fe(NO3)3·9H2O为催化剂的时候，合成温度降低为1400℃，Fe与SiO2的比例约在0.004～0.006之间所得晶须较好，多为直晶，表面比较光滑，直径约在100～900nm之间。以NaF为催化剂，生成枝蔓状晶须，出现弯晶，缺陷较多，直径约为0.6μm～1.2μm。 6研究了保温时间对合成氮化硅晶须的影响。随着保温时间的增加，晶须的直径明显增大，并且有部分晶须出现粗化。实验对Fe与SiO2质量比为0.006：1的试样在1400℃下，分别保温1h，2h。发现保温1h，2h后生成的晶须直径从60～200nm长到200nm～900m，保温2h后的晶须粗化后直径达到2.5μm。 7通过对生长机理的研究得出，在制备氮化硅晶须的过程中存在着VLS和VS机理。 收起