新材料技术与信息、生物、能源技术,被国际公认为总揽人类社会全局的高技术。先进结构陶瓷材料是新材料中的重要分支,其应用方向主要是轻质、高强、高韧和高温、耐蚀等,是支撑国防、航天、航空、汽车和动力装置等的关键新材料。
精细陶瓷级氮化硅属于结构陶瓷材料,广泛用于陶瓷刀片、轴承、拉丝模、轧辊等方面,市场容量不大价格昂贵,而氮化硅和碳氮化钛陶瓷又是先进陶瓷中应用领域最广泛的材料体系。
1998年,日本推出的陶瓷燃气轮机(CGT),300kw级CGT中因大部分材料采用氮化硅,热效率达高42.1%%,较之同级别的金属基CGT高出一倍多。2000年第七届国际陶瓷发动机会议上,德国Heinrich教授强调先进陶瓷的研究主要为降低原料成本和开发低价制备技术。即制粉—成型—烧结—加工四个环节,重点是开发其低成本、高可靠性、批量化制备技术。
清华大学的陈克新教授和中科院理化技术研究所的李江涛研究员在长期合作的工作基础上,提出了一条低价制备氮化硅、碳氮化钛先进陶瓷的创新工艺———常压连续化燃烧合成技术。该原创性技术思路一经提出,就被国家863招标课题立项。目标:开发出制备高质量氮化物陶瓷超细粉体的近常压连续化悬浮燃烧合成设备和技术。通过近常压连续化燃烧合成技术,实现规模化生产,从而实现低价制备高质量碳氮化钛、氮化硅粉体。
2002年9月,在两教授的通力合作下,研制成功了“常压连续化悬浮燃烧合成实验装置”,实现了近常压燃烧合成氮化硅。由于悬浮燃烧合成与传统的Si粉氮化工艺及高压燃烧合成工艺有本质的不同。因此,常压连续化燃烧合成技术必然更具节能、产率高的优势,对所有放热反应特征的体系具有普遍的适用性。该工艺尤其适合于气固相体系的渗透燃烧,因为整个反应过程中,制约反应完全程度的气体反应剂渗透问题将不复存在。
经过两年多来的攻关,已攻克了在降低氮气压力的同时,又保证Si、Ti粉末完全燃烧氮化;既要保证燃烧波传播所需高温,澄清了燃烧合成氮化硅陶瓷的一些基本理论问题,包括悬浮燃烧反应机制、反应动力学、悬浮燃烧波传播特征等技术难关,解决了与大规模生产密切相关的几个关键技术,为燃烧合成氮化硅工艺产业化奠定了基础。2003年10月,应邀在日本名古屋召开的第五界环太平洋国际陶瓷会议上作报告,会议报告被日本陶瓷学会作为Review文章发表。国内外专家一致认为,从高压燃烧合成到常压连续化燃烧合成是一个重要的技术进步。