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• 文章导读

以纳米碳化硅（SiC）和高纯氮化硅（Si₃N₄）粉体为原料的高性能Si基陶瓷，在半导体加工、电力电子及高温工程等领域具有重要的应用价值。为得到高性价比的Si基陶瓷粉体，在综合考虑生产能耗、效率和产品性价比的基础上。燃烧合成技术是最有可能实现高品质Si基陶瓷粉体规模化、低成本制造的方法。但传统合成方法面临SiC纳米化难、Si₃N₄高纯化难、Si-C弱放热反应需外部能量馈入、而Si-N₂强放热反应需添加大量稀释剂才能实现燃烧合成四大问题。

近期，中国科学院理化技术研究所李江涛研究员和清华大学董岩皓副教授提出了一种简单而实用的将Si-C/Si-N₂两个反应体系耦合燃烧合成的新思路：利用Si-N₂反应的强放热特性，以之作为化学炉，弥补Si-C弱放热反应的能量不足；同时Si-C主反应剂体系在高温下通过构建贫O₂、富CO的还原气氛，促进高纯低氧Si₃N₄的生成。通过调整Si-N₂化学炉体系与Si-C主反应体系的配比，优化耦合燃烧合成体系的温度场。在确保Si-C完全反应的同时，减少Si-N₂反应过程中稀释剂用量，从而使两者的品质和成本优势大幅度提升。结果表明：得到的纳米SiC粉体的平均粒径为30 nm，分散性好；粉色Si₃N₄粉体的氧含量为0.46 wt%，较国际知名生产商UBE的Si₃N₄粉体（1.20 wt%）降低 60%。Si₃N₄产物中的残留Si 也从10.4 wt%降至1.66 wt%。

图文摘要：燃烧共合成纳米SiC与粉色Si₃N₄粉体

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：Combustion co-synthesis of nano SiC and purified Si₃N₄ powders by coupling strong and weak exothermic reactions。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！

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https://doi.org/10.1039/D5IM00191A

• 本文亮点

★ 提出“强弱放热反应耦合”设计，解决了SiC纳米化难、Si₃N₄高纯化难，且Si-C弱放热反应需外部能量和Si-N₂强放热反应需要添加大量稀释剂的问题；

★ 用Si-N₂强放热反应同步点燃Si-C弱放热体系在单一反应釜内实现平均粒径30 nm的SiC和低氧（0.46 wt%）Si₃N₄粉体的同步合成；

★ 揭示了瞬态高温对纳米晶粒形成的调控作用以及高温还原气氛对Si₃N₄低氧纯化的过程。

• 图文解读

1. 纳米SiC与低氧Si₃N₄粉体的合成

作者以Si/Si₃N₄混合粉作为化学炉反应剂，Si/C混合粉作为主反应剂，采用Si/Si₃N₄混合粉环绕Si/C混合粉的装料方式进行燃烧合成。反应结束后，在坩埚的中心部位得到了绿色的SiC产物，四周为灰白色Si₃N₄产物。其中，在SiC与Si₃N₄产物的交界处能够清晰的发现一层厚度为毫米级的粉色Si₃N₄层。

图1. Si-N₂化学炉辅助燃烧合成SiC的反应过程及产物相分析。(a) 环绕式化学炉辅助燃烧合成纳米SiC装料方式及燃烧波蔓延过程示意图。(b) 中心部位主反应燃烧合成产物相组成。(c)四周边缘部位化学炉燃烧合成产物相组成

2. 形貌表征

SEM图显示SiC颗粒大小均匀，呈等轴晶型。对纳米颗粒平均粒径统计结果表明SiC纳米颗粒的平均粒径约为30 nm。

图2. 化学炉辅助燃烧合成的纳米SiC的微观形貌和结构表征。(a) 燃烧合成SiC纳米颗粒的SEM形貌照片。(b) 统计的SiC纳米颗粒的平均粒径分布

灰白色Si₃N₄相较于粉色Si₃N₄表现出了更完整的柱状晶结构，这是β-Si₃N₄的典型微观形貌。这种微观形貌的差异可能与反应温度有关。TEM观察到粉色Si₃N₄表面非晶氧化层厚度＜1 nm，而灰白色Si₃N₄表面氧化层厚度为1-2 nm。

图3. 燃烧合成的Si₃N₄产物的微观形貌。(a) 粉色Si₃N₄的SEM。(b) 灰白色Si₃N₄的SEM。(c) 粉色Si₃N₄的高分辨TEM。(d) 灰白色Si₃N₄的高分辨TEM

3. Si/C混合粉红外发射率表征

在化学炉体系中，Si-N₂燃烧合成过程因Si融化导致的残余Si问题，可因两个体系的耦合得到很大的改善。Si/C混合粉体表现出较高的辐射吸收率（红外发射率0.9），燃烧波区热量以辐射热的形式传递给Si/C主反应剂，导致生成Si₃N₄的燃烧波区内的热量快速散出。因此主反应剂对作为化学炉体系的燃烧波有很好的温度调控作用。

图4. 三个不同成分的Si-N₂化学炉反应体系的产物相组成、Si/C反应剂的光谱发射率。(a) 不同稀释剂含量的化学炉体系独立反应后产物的XRD图。(b) Si/C反应剂的红外发射率光谱

4. 光谱分析

通过观察β-Si₃N₄的吸收光谱，发现粉色Si₃N₄在可见光的特定波长（503 nm）有一个显著的吸收峰，这与实际观察到的Si₃N₄粉体颜色相符。

图5. 粉色Si₃N₄和灰白色Si₃N₄粉体颜色对比及其吸收光谱。(a) 两种合成的粉体样品与潘通色卡颜色对比的光学照片。(b) 粉色和灰白色Si₃N₄的紫外-可见光-近红外（UV-Vis-NIR）吸收光谱

• 总结与展望

本文利用Si-N₂和Si-C反应放热量的差异，通过化学炉包覆的方式，以Si-N₂反应的强放热诱发了Si-C弱放热反应体系的燃烧合成。通过对燃烧反应温度场以及CO还原性气体分压的调控，成功合成了平均粒径仅为30 nm的β-SiC粉体以及氧含量低至0.46 wt%的高纯粉色β-Si₃N₄粉体。该工作为Si基陶瓷粉体近零能耗、低碳合成提供了新路径。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

文章信息

L. Han, H. Zhang, X. Yang, Y. Li, Y. Dong and J. Li, Combustion co-synthesis of nano SiC and purified Si₃N₄ powders by coupling strong and weak exothermic reactions, Ind. Chem.  Mater., 2025, DOI: 10.1039/D5IM00191A.

• 作者简介

通讯作者

李江涛，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师；中国科学技术大学兼职教授。主要从事陶瓷材料的燃烧合成理论和制备技术研究，以及基于红外陶瓷的被动辐射冷却新技术应用研究。先后主持了国家自然科学基金重点课题、科技部ITPA人才课题、863重点课题、以及中国科学院重大科研仪器研制项目等多项课题；早年曾获中国材料研究学会科学技术二等奖、第八届教育部霍英东青年教师基金及青年教师奖；发表学术论文300余篇，合作英文专著4部，获国家发明专利30余项。

通讯作者

董岩皓，清华大学材料学院副教授。2012年毕业于清华大学材料科学与工程系，获学士学位。2012至2017年，在美国宾夕法尼亚大学学习，获材料学硕士、应用力学硕士和材料学博士学位，从事陶瓷材料烧结、扩散、微结构演化等基础理论的研究。2017至2022年，在美国麻省理工学院从事博士后研究，从事交叉学科陶瓷材料设计、制备、微结构、衰减机理的研究。获得美国陶瓷学会颁发的Early Discovery Award、Edward C. Henry Award、摩根奖章和全球优秀博士生论文奖，麻省理工科技评论“35岁以下科技创新35人”中国区先锋者，Acta Materialia期刊Acta Student Award，宾夕法尼亚大学Sidney J. Stein Prize等荣誉。近年来以第一作者和通讯作者（含共同）发表高水平学术论文60余篇，包括Nature、Nat. Energy、Chem. Rev.等。

第一作者

韩鲁佳，中国科学院理化技术研究所博士研究生。目前研究方向为低碳燃烧合成高品质纳米SiC粉体，SiC气凝胶及其潜在功能应用。

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