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北科大:氮化铝粉末制备方法的最新研究进展

发布时间:2021-09-02发布人:浏览: 次
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前 言

氮化铝因其高导热、绝缘的性能得到了广泛的应用,目前全球氮化铝应用市场处于高速成长期,对氮化铝的需求也在持续增长。氮化铝粉末是制备氮化铝陶瓷的关键原料,其性质对后续制备氮化铝陶瓷的性能有决定性影响。本文整理对比了微米级与纳米级氮化铝粉末的制备方法并对未来氮化铝粉末制备的研究方向和发展趋势提出了展望。

AlN制粉研究进展

工业上制备AlN粉末的方法有三种,分别是直接氮化法,自蔓延高温合成法与碳热还原法。其中直接氮化法和自蔓延高温合成法原理相同,都以金属铝为原料,在一定温度下与氮气直接反应的,但生产设备与反应过程存在较大的差异。碳热还原法则是以铝的化合物为原料,高温下与碳和氮气反应。这三种方法都具有成熟的工艺,但在实际生产中仍有各自的问题。

1、直接氮化法

直接氮化法通常使用金属铝粉在高温下直接与氮气反应合成AlN,粉末无需特殊的处理。其反应原理为:

2Al+N2→2AlN

反应简单、能耗低。但此方法也存在反应转化率不高、粉体易结块、颗粒不规则、粒度分布宽等问题,从而限制了该方法的进一步发展。

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2、自蔓延高温烧结

现如今,此方法在碳化物、硼化物、氮化物及金属间化合物的制备中得到了广泛的应用。自蔓延高温合成是充分利用反应中释放的能量以提高体系内未反应部位的温度,引发铝与氮气继续反应,反应一经点燃就不需要其他热源,反应剧烈,燃烧速度快。目前,该方法己开始在工业生产中应用,其主要缺点与铝粉直接氮化法相似,由于反应速度太快,反应过程不易控制,产物易结块,反应不完全的情况。为了降低反应条件同时避免铝结块,通常添加分散剂或添加剂如氮化铝,氯化铵,三聚氰胺等以保证燃烧的进行。

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3、碳热还原法

碳热还原法通常以铝的化合物为原料(通常为Al2O3),高温下与碳和氮气发生碳热还原反应,得到AlN粉末,其反应原理为:

Al2O3+3C+N2→2AlN+3CO

较直接氮化法与自蔓延高温合成法而言,碳热还原法制得的粉末具有更高的纯度,较好的球形度,但此方法需在高温下进行反应,从热力学角度计算反应温度需达到1580℃。为降低上述制粉过程中造成的高能耗,通常采用以下方法:

(1)从原料角度出发,提高原料粉末(Al2O3+C)的反应活性。

(2)改变制粉过程条件,通过引入微波、高活性气氛与烧结助剂的方式降低反应温度。

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纳米粉末制备方法

纳米AlN粉末由于其具有高的表面能从而具有高的烧结活性,同时能够制备出具有细晶粒组织的AlN陶瓷,根据霍尔佩奇公式:σ=σ0+ kd−1/2,材料的力学性能与晶粒尺寸有着密切的关系,拥有细小晶粒组织的高强度AlN基板能抵挡高温度差以及热冲击下产生热应力的冲击,从而延长AlN基板的使用寿命。同时,细小的晶粒并不会对导热率产生明显影响,因此以纳米级粉末为原料具有制备高性能AlN基板的潜力。

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1、湿化学法

此方法通过选择一种或几种需要的可溶性金属盐或氧化物,按所制备材料的成分计量配制成溶液,使各元素呈离子或分子状态,能够实现原料分子级别的混合,解决原料混合的均匀性问题。根据反应过程和所得到的产物,可具体分为以下三种:

(1)溶胶-凝胶法,溶胶凝胶法通常将溶液干燥后得到凝胶,再对凝胶进行碳热还原反应得到纳米AlN粉末。

(2)溶液燃烧合成法,该法通常选用硝酸铝为铝源和氧化剂,尿素等有机物为燃料,葡萄糖等可溶性有机物为碳源,配成混合溶液后对其进行加热,溶液会在发生沸腾、浓缩、冒烟等一系列反应后开始发生氧化还原反应,同时伴随着大量热量的产生和大量气体的放出,全部燃烧过程在几分钟内完成,得到了一种极为疏松的泡沫状氧化铝和碳均匀混合的前驱物粉体(如图所示),最终经碳热还原反应获得纳米AlN粉末。

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(3)络合物分解法,络合物分解法通常是先配置溶液形成含铝络合物,将溶液干燥后得到络合物晶体,再将该络合物在保护气氛中高温分解形成尿素和低熔点铝盐,随后尿素继续分解形成氨气,氨气与升华的铝盐气相反应得到AlN纳米颗粒。

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2、化学气相合成法

该方法通常选用熔点低,易挥发的含铝化合物在氮气或氨气的带动下进入高温反应室进行氮化,AlN在气相中形核并沉积在颗粒回收容器内。

3、高能物理辅助法

该方法是利用等离子体、爆炸等方式产生的高能量使AlN颗粒破碎分散,制备纳米级的AlN粉末。

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4、机械化学法

该方法是通过球磨的方式将原料中的氮元素固溶进金属铝晶格中,形成AlN粉末的过程,其中氮源可以选用氮气,但其活性较低,需要进行长时间的球磨,故通常选用氨气等高活性气态物质进行反应。

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总 结

现如今,国内高导热AlN陶瓷的关键技术水平和国外相比还有很大差距,AlN粉末是制备AlN陶瓷的主要原料,它的性质(如纯度、粒度、氧含量及其他杂质含量)对后续制备AlN陶瓷的性能具有决定性影响。因此,制粉工艺及粉末质量已成为AlN陶瓷制备的重要环节。工业上使用的直接氮化法、自蔓延高温合成法和碳热还原法在各自粉末制备过程中仍存在不足,直接氮化法的转化率及杂质含量虽已得到良好的控制,但粉末形貌的不规则仍可对后续工艺产生不利影响,对颗粒尺寸及形状的有效控制需进一步研究;自蔓延高温合成法具有更快的速度,更加剧烈的反应过程,但对燃烧过程的理论研究及过程控制仍需进一步探讨;在碳热还原法中,虽有方式获得高活性反应物以降低能耗,但添加了额外的工艺流程及设备,如何在此基础上进一步缩短工艺流程适应生产是目前的研究方向。

同时,纳米AlN粉末的发展将充分发挥小尺寸颗粒高比表面能的优势,提高烧结驱动力,减少烧结助剂的添加,可使制备得到AlN陶瓷具有高导热的同时具有更加细小的晶粒组织,这将进一步提高AlN陶瓷的综合性能。制备纳米AlN粉末的方法众多且各具特色,各方法对粉末的形貌、物相组成、粒度大小等也进行了详细表征,但不同方法获得粉末的烧结性能及烧结后陶瓷的综合性能报道较少,纳米晶粒与陶瓷性能间的关系也有待进一步讨论。

       
文章来源:氮化铝粉末制备方法及研究进程 张智睿,秦明礼,吴昊阳,刘昶,贾宝瑞,曲选辉 北京科技大学新材料技术研究院

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