自蔓燃高溫合成技術（SHS），又稱為燃燒合成技術，是目前材料合成的重要研究方向，在制備粉體方面具有傳統(tǒng)方法無可比擬的優(yōu)勢，受到了廣泛關注。采用自蔓燃合成的氮化物陶瓷粉體，包括氮化硅粉體、氮化鋁粉體、氮化硼粉體、氮化鈦粉體、SiAlON 粉體，在結構陶瓷、功能陶瓷中具有舉足輕重的地位，可廣泛的應用高溫、防腐、耐磨、基板等領域；SiAlON 粉體可廣泛的應用于節(jié)能 LED發(fā)光領域。

一、自蔓燃高溫合成技術（SHS）概述

1、自蔓燃合成方法機理

自蔓燃高溫合成方法是：利用反應物自身化學反應放熱制備材料的新技術。其特點是：

（1）利用化學反應自身放熱，完全 (或部分 )不需要外熱源，能耗低。

（2）通過快速自動波燃燒的自維持反應得到所需成分和結構的產物。

（3）通過改變熱的釋放和傳輸速度可以控制反應過程的速度、溫度、轉化率和產物的成分及晶體結構。

圖1.自蔓燃高溫合成技術示意圖

2、自蔓延合成反應類型

與燃燒合成技術相關的學科主要為燃燒化學理論、材料化學與技術這兩大基礎理論。其典型的燃燒合成系統(tǒng)包括：

（1）固-固反應：

Si+C→SiC

（2） 固-氣反應：

3Si+2N₂ → Si₃N₄

（3）氣-氣反應：

2TiCl₃ + 4BCl₃ + 9H₂→2TiB₂ + 18HCl

（4）液態(tài)反應：某些高分子材料的合成反應。

3、自蔓延制備陶瓷粉體技術

目前，利用自蔓延制備粉體最具市場應用前景。自蔓延合成技術制備性能優(yōu)異的陶瓷粉體工藝關鍵在于：

（1）選擇合適的反應劑體系：即要求所選反應劑之間能夠發(fā)生具有足夠強度熱效應的放熱反應。

（2）實驗參數(shù)的選擇：即選擇合適的反應劑配比、樣品塊尺寸、樣品塊密度和原料密度。

（3）引燃技術的選擇：目前，引燃技術主要有燃燒波點火、輻射點火、激光點火、熱爆點火、微波點火、化學點火和機械點火等。在工藝過程中，通常根據(jù)反應熱、反應劑和產物的特征、影響反應動力學的工藝參數(shù)以及反應器的氣氛及其壓力等因素而確定點火方式。

圖2.自蔓延制備陶瓷粉體工藝控制方法

二、自蔓延合成技術制備氮化物陶瓷粉體應用案例

1、氮化硅粉體

自蔓燃技術合成氮化硅粉體主要工藝為將反應物料經充分混合后壓制成坯塊或松裝在石墨坩堝內，然后充氮氣進行自蔓燃反應。通常在合成時，硅粉中加入 20%~50%的氮化硅稀釋劑，降低燃燒溫度，硅粉的粒度、稀釋劑、氮氣壓力、裝料方式都對反應溫度、反應速度產生影響，進而反應生成相含量不同的氮化硅粉體。硅粉粒度越細，燃燒溫度和速度越快，相含量也相應提高。

目前，采用自蔓燃技術合成氮化硅主要存在兩個問題：

（1）制備的Si3N4 粉，多為燒結活性較低的Si₃N₄。

（2）合成時要在較高的氮氣壓力下進行燃燒反應。

圖3.氮化硅陶瓷軸承

2、氮化鋁粉體

AlN是一種具有廣闊發(fā)展前景的新型陶瓷材料。它以優(yōu)良的熱導率、較高的體積電阻率和力學強度以及較低的線膨脹系數(shù)和介電常數(shù)等特點，廣泛應用于集成電路的基片封裝材料，同時還具有高溫化學穩(wěn)定性、高硬度及較高的高溫強度，是一種備受重視的結構陶瓷材料。

SHS合成氮化鋁粉體方法是：原料采用 Al粉（粒度為20μm，純度≥98%）和高純 N₂，以 AlN 粉末為稀釋劑。將AlN與Al粉按比例混合，在一定壓力的N₂中用鎢絲線圈點火進行SHS反應，合成 AlN。合成的氮化鋁粉體形貌不規(guī)則，顆粒較大，需要對粉體進行研磨處理。

目前，制備氮化鋁粉體的方法主要有：自蔓延合成法；Al粉直接氮化法；Al₂O₃高溫碳化還原氮化法；等離子體化學合成法；化學氣相反應法。與SHS法相比，后幾種方法存在高溫及長時間的反應過程，操作過程復雜，能耗大等缺點。 下表給出了不同方法合成氮化鋁粉體性能指標對比情況。

表1：不同方法合成氮化鋁粉體性能指標對比

氮化鋁主要應用于：

（1）制造高性能陶瓷器件：制造集成電路基板，電子器件，光學器件，散熱器，高溫坩堝。

圖4.氮化鋁陶瓷電路板

（2）制備金屬基及高分子基復合材料：特別是在高溫密封膠粘劑和電子封裝材料中有極好的應用前景。

圖5.氮化鋁電子封裝材料

（3）納米無機陶瓷車用潤滑油及抗磨劑。

（4）用于制造導熱硅膠和導熱環(huán)氧樹脂。

（5）其他應用領域：納米氮化鋁應用于熔煉有色金屬和半導體材料砷化鎵的坩堝、蒸發(fā)舟、熱電偶的保護管、高溫絕緣件、微波介電材料、耐高溫及耐腐蝕結構陶瓷及透明氮化鋁微波陶瓷制品，以及目前應用于導熱絕緣云母帶，導熱脂，絕緣漆以及導熱油等。

3、氮化硼粉體

六方BN的自蔓燃合成可采用兩種方法：元素合成法和鎂熱還原法。

（1）元素合成法主要工藝過程是硼粉200MPa的壓力下，在氮氣氣氛中燃燒合成氮化硼，還可以直接制備致密或多孔BN制品。

（2）鎂熱還原法合成六方 BN粉體的反應式為：

B₂O₃ + N₂ + 3Mg→2BN + 3MgO

圖6.氮化硼粉體SEM照片

主要工藝過程是在 20MPa的氮氣壓力下，燃燒溫度為2400℃，反應生成微燒結的多孔塊體氮化鋁，破碎后酸洗除去MgO，就得到片狀 BN粉體，鎂熱還原法的BN粉可用作超高壓合成立方BN的原料或絕熱、高溫潤滑劑，適用于燒結或熱壓。

4、SiAlON粉體

自蔓延合成SiAlON粉體主要工藝為：以Si、Al、Al₂O₃和Si₃N₄粉作為反應物料，在3~11MPa的氮氣壓力下，自蔓延合成出SiAlON粉體，其20%的Si₃N₄作為稀釋劑加入。反應式如下：

Si+ Al+ Al2O3 + Si3N4 →Si6-zOzAlzN8-z

圖7.高性能氧-氮化物熒光粉

SiAlON粉體主要應用：（1）高性能氧-氮化物熒光粉；（2）有序介孔堿催化劑及吸波材料；（3）陶瓷棒晶及纖維合成；（4）紅外增透及力學防護薄膜材料；（5）致密透明陶瓷紅外窗口和整流罩材料；（6）高硬度、高強度陶瓷基復合材料。

作者：李波濤