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氮化铝陶瓷粉体制备方法研究进展

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  摘  要:氮化铝陶瓷属优质陶瓷材料,自身热导率高、电绝缘性良好、介电常数及损耗低,受到高功率电子生产行业广泛欢迎。氮化铝陶瓷主要应用在高导热基板材料和高功率电子器件封装上,其自身优势性能对促进机械电子行业发展有重要作用。该文就高质量氮化铝陶瓷粉体制备进行详细分析,分析其技术进展,旨在为深入了解氮化铝陶瓷粉体制备方式,为相关部门深入氮化铝陶瓷研究提供有力参考。
  关键词:氮化铝陶瓷  粉体  制备方法  研究进展
  中图分类号:O614   文献标识码:A            文章编号:1672-3791(2019)06(c)-0073-02
  氮化铝(Aluminum nitride,AlN)属六方纤锌矿共价键化合物,呈灰白色,导热率高,高温下材料稳定,可和硅材料热膨胀系数相匹配,为理想的电子封装散热材料,对一些对散热要求较高的设备而言,以氮化铝为支持,可以增加设备自身散热性能,实现设备稳定工作在电子机械中应用广泛,可以减小传统电子散热器体积,降低成本[1]。
  1  氮化铝陶瓷性能
  氮化铝陶瓷性能和其粉体纯度有直接联系,粉体杂质将降低陶瓷热导率,进而导致气孔及杂质对声子散射。其中,O原子固溶进氮化铝晶格,占据N原子位置,导致Al空缺,形成声子,降低热导率。若氮化铝陶瓷含氧量为0.12wt%,热导率对应为185W/(m.K),氮化铝陶瓷含氧量增加到0.31wt%,热导率对应降低为130W/(m.K)。
  此外,杂质存在还影响陶瓷绝缘性,若氮化铝粉体中Si、Fe等元素含量在2x10-4以上,则氮化铝绝缘性明显下降。细小粉体及较窄力度分布,则可提高氮化铝陶瓷烧结性能,提高其的热传导及绝缘性。
  2  氮化铝陶瓷粉体制备方法
  氮化铝陶瓷粉体制备方式较多,有铝粉直接氮化法、Al2O3碳热还原、自蔓延高温合成、溶剂热合成、等离子化学合成、化学气相沉积法等[2]。其中,铝粉直接氮化法、Al2O3碳热还原、自蔓延高温合成方式开展由来已久,已形成规模化应用 ,溶剂热合成为近几年氮化铝陶瓷粉体制备新方式,可制备出结晶度良好的纳米材料。等离子化学合成虽制备的AIN粉体粒度小,但纯度低,操作复杂。化学气相沉积法制备中出产物易出现粉体团聚。以下针对前4种制备方式详细分析。
  2.1 铝粉直接氮化法
  将Al在N2中直接加热,Al转化为AlN:
  2Al+N2=2AlN
  600℃环境下,氯和氮发生反应,温度越高,氧化速度越快。上述反应式反应速度快,产物高温凝结,铝粉表面有氮化物膜生成,导致氮气不能深入渗透,减缓氮化速度[3]。为避免粉体团聚,可采用粒度细或活化度高的铝粉,减低氮化温度,提高反应速度。
  2.2 Al2O3碳热还原法
  将超细氧化铝粉混合碳粉,置于流动氮气中,以碳对Al2O3还原,还原出Al和氮气,流动环境下生成AlN。
  Al2O3+3C+N2=2AIN+3CO
  由式子可得到,碳热还原中,要求Al2O3及C物质存在1∶3比例,为确保Al2O3完全转化,需投入充足的碳。融入大量碳,可加快反应,提高反应效率,增加粒度均匀性。但是,此方式需在反应后,600℃~900℃空气中进行脱碳。反应得到AlN,其质量受原料及氮化温度影响较大,原料不同,碳热反应氮化温度也存在差异性。
  为确保低温可获取高质量AlN,选择机械活化后达到纳米级Al2O3结合炭黑作为原料,碳热反应氮化温度控制1100℃~1250℃。Al2O3碳热还原中还会加入CaO、CaF2等物质,催化反应,降低活化能。
  2.3 自蔓延高温合成法
  Al在高压状态下被热源点燃,和N2反应,产生高化学反应热,反应自维持,转化为AlN后,反应停止。
  2A1+N2=2A1N
  采用该方式制备,需先对Al引燃,之后无需其他热源投入。该方式制备简单,耗能少,可快速获取所需位置,也可通过燃烧移除反应物中易挥发杂质。纯化粉质。反应后,可合成粉体、多孔杂块物质等。反应中需快速升温、降温,氮气压力大,若氮气压力达到180MPa,无法获取高质量AlN。可采用NH4F作为氮化剂,NH4F氮化分解,转化为NH3、HF,在较低氮气压力下生成高纯度AlN粉体。
  2.4 溶剂热合成法
  氮化铝粉体生成对温度及压力有要求,且生成后反应活性高,易水解,可采用溶剂热合成方式支持,保证其稳定性:密闭系统中,以有机溶剂为支持,加热制定温度,溶剂产生压强,物质发生化学反应,生成新物质。
  例如,采用AlCl3、NaN3反应物,200℃高温下,加入二甲苯,以不锈钢反应釜合成氮化铝,以700℃退火后,得到高质量氮化铝纳米晶。
  AlCl3+3NaN3=AIN+3NaCl+4N2
  采用该方式制备,在N2保护的设备中完成,水、氧对制备结果影响不大。溶剂热条件下发生多种反映,生成氮化铝纯度和反应温度呈正比关系。加入一定表面活性剂,可提高氮化铝结晶度。溶剂热合成法在常压下完成,制备简单,反应温度低,操作安全,制备能耗较低。
  3  总结分析
  氮化铝粉体基本制备方式主要为Al2O3碳热还原法及铝粉直接氮化法,该技术应用由来已久,在工业化的生产中有广泛应用。自蔓延高温合成法是在Al2O3碳热还原法及铝粉直接氮化法基础上衍生的制备方式,制备具有很大潜力。但是自蔓延高温合成法对设备要求较高,实际实施可行性不高。采用溶剂热合成法制备,制备氮化铝粉纯度高,且制备简单,对设备要求不高,操作较安全,具有实际推广意义。
  4  优化氮化铝制备方式分析
  要确保氮化铝制备稳定性,主要解决水解、氧化及添加剂、温度、杂质对氮化铝制备的影响。对氮化铝制备方式的优化,就应向氮化铝粉体自身的抗水解性进行详细分析,研究通过科学的热处理技术,融入表面改性技术,确保氮化铝粉体自身稳定。
  为提高氮化铝粉体整体质量稳定性,可以在其高温处理中,适当地融入一定的氧氣,通过通入氧气的方式,对氮化铝粉体表面产生一定保护,氧气和氮化铝粉体反应,形成围绕氮化铝粉体的氧化铝薄膜,控制氧化铝及水发生共同反应。通过加入适当的氧气,在氮化铝粉体的制备中,发现氧气融入后,氧化的温度不断升高,而氮化铝粉体的水解率大大下降,在800℃温度支持下,发现氮化铝粉体就有良好的抗水解性。通过热处理,氮化铝粉体的化学性质稳定性大大提高,且采用热处理,其投入成本低,可扩大制备。但是热处理工艺也有其缺点,其实际处理温度较高,可能导致氮化铝粉体状态不稳,有过度氧化出现,影响氮化铝粉体整体质量。因此,在实际制备过程中,需控制好对氮化铝粉体的热处理,稳定温度范围,控制在800℃~900℃以内,从而可以灵活控制热处理中的氧气分压,减小其对铝陶瓷热导率所造成的影响。
  5  结语
  综上所述,对氮化铝陶瓷粉体制备方法研究进展分析,应了解氮化铝陶瓷性能及其不同的制备方式,了解不同工艺尤其自身特点及弊端,在氮化铝陶瓷粉体制备中,需从制备工艺、投入成本等方面考虑,对于氮化铝陶瓷粉体制备中容易出现的氧化及水解,通过在其高温处理中,适当地融入一定的氧气,提高氮化铝陶瓷粉体稳定性,为促进相关产业长久发展奠定坚实的基础。
  参考文献
  [1] 倪红军,倪威,马立斌,等.高导热AlN陶瓷基片制备技术研究现状及发展趋势[J].现代化工,2017,37(7):45-48.
  [2] 孙跃军,荀冬雪,刘民.纳米氧化铝粉体制备方法与工艺的研究进展[J].中国材料进展,2017,36(6):455-460.
  [3] 王宇,谢建军,汪暾,等.超细AlN粉体合成与陶瓷制备研究[J].功能材料,2017,48(4):4136-4140.
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