在氮化硅基陶瓷制备方法中，反应结合法有几点优势，如烧结收缩率低和原料成本低等。硅的氮化工艺处理时间长是一个严重问题，并且很难解决。一般，为了获得反应结合氮化硅（RBSN）陶瓷，需要使用催化剂来解决其反应过程中硅易熔化问题。采用反应结合及后续烧结的方法也能用来制备出SiAlON陶瓷。日本的研究人员利用热重分析法研究了以硅粉为基础的SiAlON组成混合粉的氮化行为。为了研究通过快速反应结合法制备β-SiAlON的可能性，在氮气气氛下以较快的加热速率对混合粉进行氮化，并研究了制备试样的力学性能。
    本研究在Si6-ZAlOZN8-Z化学配方中选择Z＝1且含ZrO2的β－SiAlON，硅粉（≤30 μm）、AlN粉、Al2O3粉、ZrO2（单斜）作为原料，假设所有硅粉在氮化过程中全部转换成SiAlON，并使其烧结产物中最终含有5％的ZrO2。为了比较，也制备了不含ZrO2且Z＝1的SiAlON。使用氮化硅罐以及氮化硅球，并用乙醇作介质，在行星式球磨机中将原料粉均匀混合1 h。然后在真空下蒸发干燥。为了弄清氮化行为，使用TG－DTA仪，在氮气气氛下对混合粉进行热重分析，一直到进行1 400 ℃。混合粉试样在氧化铝盘中松散地堆积，在氮气气氛下在200 ℃预烧，冷却后再以20 ℃•min-1加热到1 400 ℃，然后冷却到室温。
    将混合粉利用两步成型法（干压成型+等静压成型）制成Φ15 mm×5 mm和42 mm×45 mm×5 mm试样，为了确定氮化程度以及加热尺寸变化，精确测量生坯质量以及尺寸。坯体试样氮化在碳加热炉中进行，在1 500 ℃氮化2 h；在1000～1 500 ℃温度范围内，加热速率分别为5、10、20 ℃•min-1，氮气流量为2 L•min-1。为了比较，也以0.17 ℃•min-1的加热速率（典型的常规氮化法）进行氮化。测量氮化后试样的尺寸和质量。然后将氮化后的试样在0.9 MPa下，氮气气氛下，在1 800 ℃烧结8 h。采用四点弯曲法测量烧结后试样（从烧结体上机加工成3 mm×4 mm×40 mm试样）的弯曲强度；利用扫描电镜观察断口和侵蚀面的显微结构。采用XRD分析快速反应结合和烧结后试样的物相组成。
    对纯硅粉、合成SiAlON的混合粉（含和不含ZrO2）TG分析发现，不含ZrO2的SiAlON，高于1 350 ℃时，质量增加，最终增重约4％；含ZrO2的SiAlON粉，重量显著增加的开始温度在1 300 ℃左右，明显比其他粉体低。根据TG分析结果计算的氮化程度（1 400 ℃，N2）显示，在所有保温时间内，含ZrO2的粉体的氮化程度都比不含ZrO2的高。另外，含有ZrO2的粉体，1 400 ℃时，保温初期，氮化很快；另外，加入ZrO2的氮化速率在保温约30 min后逐渐降低，而仅含硅粉的试样在保温3 h后才出现此现象；这因为形成一层氮化层逐渐覆盖反应层。两种粉体的氮化行为不同和ZrO2的作用有关，加入ZrO2粉体在表面起着有效的催化作用，在氮化初期，表面上的ZrO2与Si接触，随着氮化的进行，ZrO2与Si之间的接触降低，氮化速率减小。
    坯体试样经不同加热速率氮化后，在所有加热速率情况下，不含ZrO2试样，未反应的硅从试样中渗出到表面；加热速率较慢的试样形状几乎接近原始的生坯形状，但是加热速率较高的试样，发现有大量裂纹和裂解。另一方面，含有ZrO2的试样，没有发现有熔融硅渗出；即使加热速率高的试样也保持为生坯原状，仅有一些收缩。试样的氮化程度计算结果显示，含ZrO2和不含ZrO2试样的氮化程度显著不同，加入ZrO2，加热速率为10 ℃•min-1，氮化程度几乎100％，加热速率为20 ℃•min-1（最快），氮化程度约为90％；另一方面，不含ZrO2试样，即使在最慢的加热速率条件下（以5 ℃•min-1），氮化程度也仅约为60％；最快的加热速率条件下，氮化程度将仅约25％。
    XRD衍射图谱显示，在不含ZrO2的试样中，发现未反应的残余硅衍射峰，而含有ZrO2的氮化试样，仅在以20 ℃•min-1加热速率的试样中发现有未反应的残余硅衍射峰。表明加入ZO2可促进硅在较低温度下氮化。
    试样经快速氮化和常规氮化（加热速率分别为5和0.17 ℃•min-1）后，接着经1 800 ℃ 8 h后续烧结，对烧结后的试样分析发现，在反应结合阶段（氮化），在所有含ZrO2的试样都观察到ZrN，在接下来的烧结过程中，没有发现该相。这些结果表明加入ZrO2的烧结SiAlON的晶相在反应结合阶段不受加热速率影响。
    加入ZrO2试样经1 800 ℃ 8 h烧结后的侵蚀面和断面SEM观察发现，普通反应结合（0.17 ℃•min-1）和快速反应结合（5 ℃•min-1）产生相似的结果。抛光面观察发现，在两种试样中都均匀分布有白色颗粒，EDS分析白色颗粒由Zr和O组成，两种试样的断面结构具有双峰特点，表明氮化期间的加热速率不影响反应结合SiAlON的最终显微结构。比较两种情况下（常规氮化条件和快速氮化条件）弯曲强度发现，二者强度相似，表明快速烧结对强度没有不利影响。
    这些结果表明，加入ZrO2可降低氮化反应开始温度，在1 400 ℃加入ZrO2的试样比不加ZrO2的氮化反应速率快。以不同加热速率制备β-SiAlON时，不含有ZrO2的试样，未反应的硅渗出到试样表面，不能保持原始生坯形状；而含有ZrO2的试样，几乎完全氮化，没有熔融硅渗出，且氮化后保持生坯形状。添加ZrO2及快速结合后烧结的方法可使制备的SiAlON陶瓷力学性能和显微结构和通过较慢的常规反应结合法和烧结法制备的相当。
（编译自《Journal of the American Ceramic Society》2011,№4）