高导热无机粉末材料之氮化铝(ALN)综述
发表时间:2023-07-28 人气:99 所属分类:行业动态

  氮化铝(ALN)晶体是以A1N4四面体为结构单位,具有Warzite结构的共价键化合物。密度为3.26g/cm。属六方晶系。在常压下的分解温度为2480℃。氮化铝陶瓷材料热导系数大(约320W/m·K,接近BeO和SiC,是Al2O3的5倍以上),机械强度高,硬度高,高温电绝缘性好,熔点高,抗熔融金属和盐类侵蚀能力强且无毒。是一款很有希望的材料。今天话题就简单聊聊这款材料,从ALN粉末的制备合成/碳还原法中影响氮化铝合作的因素/未来展望三个方面来讲。

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  一;氮化铝粉末合成方法:
  1.1金属铝粉直接氮化法:
  直接氮化法工艺简单、适合大规模工业化生产,是工业上已经成熟的生产氮化铝的方法。高度细分散的高纯铝粉在高温下置于氮气流中氮化,生产AlN粉末。铝和氮的反应在600℃开始,随着温度的升高,氮化速率明显增大
  生产实践表明:强烈的放热反应,释放的热量会造成产物高温下易凝结成块,另外由于反应速度很快,反应初期在Al金属表面上形成了一层粘附非常紧的AIN薄膜,在一个氮气的压强下,金属表面的防护膜才被破坏,使氮难以进一步渗透,氮化速率减慢,所以最好进行二次氮化,这样可以制备出均匀的AlN粉体。
  这种方法存在产率低、粉体易团聚结块、反应温度偏高、合成物需经仔细研磨反复氮化等缺点。为了提高转化率和防止粉体团聚,采用粒度较细且活化度高的铝粉,以氨气、氢气等低键能气体部分代替氮气,能有效的降低氮化温度,提高铝粉的转化程度。
  1.2碳热还原法:
  该方法是将超细氧化铝粉和高纯度碳粉混合,在流动的氮气气氛中,利用碳还原AI,O,被还原出的Al与N,在流动状态下反应生产AlN。合成温度范围为:1600—1750℃,保温时间4~10h,然后在N2气氛中冷却,最终得到黑色粉末状氮化物,然后在空气中600~700~C下保温1O~16h,进行脱碳处理,得到灰白色、流动性良好的AlN粉末。
  在碳热还原法制备AIN粉体的工艺中,常加入碱土金属及稀土金属的氧化物如CaO、CaF2、Y2O3等作为催化剂,不同的煅烧温度、不同的保温时间、不同的铝源及碳源均对碳热还原产物有着重要的影响。
  碳热还原法具有原料丰富、工艺过程简单、合成的粉体纯度高、粒径小且分布均匀等特点;其主要劣势在于合成时间较长、氮化温度较高,而且反应后还需对过量的碳进行除碳处理,导致生产成本较高。
  1.3化学气相沉积法:
  化学气相沉积法或热解法是基于铝的挥发性化合物与氨或N,的化学反应从气相中沉积AlN的方法。
  根据加热方式不同,化学气相沉积法分为等离子体化学气相沉积法、激光化学气相沉积法和热化学气相沉积法;根据所使用的原料不同,可分为铝的氨合物热解法和六氟铝酸氨分解法。该方法具有产品高纯性、粒度和晶体结构可控,工艺可实现精密控制与调节,过程连续化等特性,是相对有发展的技术之一,但其显著缺点是过程较为复杂。
  1.4高温自蔓延合成法:
  该法是将Al粉在高压下被外界热源点燃后,利用Al和N,反应所产生的高化学反应热使反应自动维持下去,直到Al粉完全转化成为AlN。该方法制备的AlN粉不像直接氮化法和碳热还原法须将Al粉加热至1000℃以上长时间氮化,除引燃外无需外部热源。其特点是:制备过程与设备简单,耗费能源极少;可快速生产,成本低廉;伴随燃烧所产生的高温可将反应物中易挥发的杂质予以气化并自反应物中移除,达到纯化的目的。可但该方法对于链较长的烷基铝与NH聚合,热解过程中有大量的c生成,需用H'还原等后续工序处理操作,过程较繁琐。目前,应用于工业化大规模生产的氮化铝粉末生产方法主要有金属铝直接氮化法、氧化铝高温碳热还原法。其中铝粉直接氮化法为强放热反应,反应产物往往需要粉碎处理,而碳热还原法制备的氮化铝纯度高,粒度细,烧结和成形性能良好,市场上目前所售氮化铝粉末约70%为该方法生产。(待续)

 
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