超聲霧化大尺度合成球形AlN顆粒研究

劉素靜，程慶華 (長江大學物理科學與技術學院，湖北 荊州 434023)

超聲霧化大尺度合成球形AlN顆粒研究

劉素靜，程慶華 (長江大學物理科學與技術學院，湖北 荊州 434023)

以Al(NO3)3和CH3OH為反應原料，經(jīng)超聲霧化后與NH3在高溫下制備AlN(氮化鋁)顆粒，X射線顯示所得到的AlN顆粒具有六方晶體結構，通過掃描電子顯微鏡(SEM)對制備的顆粒的形貌及尺寸分布進行分析，制備的AlN顆粒呈現(xiàn)的是類似球狀的形貌，直徑約在100～200nm，并且對不同前驅體制備的AlN粉末的形貌進行了分析，找到了能夠制備類球狀AlN粉末相對較好的前驅體溶液。

超聲霧化；球形;X射線衍射；掃描電子顯微鏡

AlN(氮化鋁)屬于二元共價化合物，晶體結構為六方纖鋅礦晶體結構，原子的自擴散系數(shù)小，其固有的難以燒結的缺點曾一度限制了它的發(fā)展，直到Long和Foster首次合成了AlN陶瓷[1]，以及20世紀50年代后期，人們對非氧化陶瓷的重視，開始將AlN作為一種新的材料進行研究，其優(yōu)良的熱學性能和電學性能引起了國內外研究者的廣泛興趣。AlN陶瓷導熱性能好，熱膨脹系數(shù)與硅接近，體積電阻率高，介電常數(shù)和介電耗損小，無毒、耐高溫和腐蝕，力學性能良好，其綜合性能優(yōu)于氧化鋁和氧化鈹，是新一代半導體基片和電子器件封裝的理想材料[2～6]。另外，AlN由于能與許多金屬和某些融鹽在高溫下共存，因此是優(yōu)良的坩堝材料。而其優(yōu)異的耐高溫性、抗熱震性以及化學穩(wěn)定性則非常適合做耐火材料，也用作防腐蝕涂層；其優(yōu)良的耐磨耗性能，可用作研磨材料和耐磨損零件。目前，制備AlN的方法有以下幾種：鋁粉直接氮化法[7，8]、碳熱還原法[9，10]、自蔓延高溫合成法(SHS)[11]和化學氣相沉淀法[12]。這些方法制得的AlN顆粒的直徑為1～2 μm。

筆者在NH3的氛圍中，通過一種新穎的2步可控方法合成了直徑比較均一的AlN球。

1 試 驗

1.1試驗藥品及儀器

1)藥品 甲醇(CH3OH)，購自上?；瘜W試劑公司，為分析純；硝酸鋁(Al(NO3)3)粉末(99.0%)，購自天津市縱橫興工貿有限公司；氨氣(NH3)，為高純(99.9%)；氮氣(N2)，為高純(99.99%)。

2)儀器 85-2恒溫磁力攪拌器；超聲噴霧器，工作頻率為0～1.7kHz；SFG-2.300電熱恒溫鼓風干燥箱；MP 200A型電子天平；NCCSY程序控制升溫管式爐。

1.2前驅體的配制

圖1 試驗裝置圖

稱取一定質量的Al(NO3)3和CH3OH，將Al(NO3)3分批次慢慢放入磁力攪拌的CH3OH溶液中，磁力攪拌器持續(xù)攪拌4～5h使充分反應，得到澄清偏淺黃色液體即為試驗所用的前驅體。

1.3AlN粉末的制備

試驗裝置如圖1所示。在確保氣密性的情況下，通入80sccm的氮氣0.5h，將整個氣體回路中空氣排盡；繼續(xù)通入N2，接通加熱爐的主回路電源，執(zhí)行預先設定好的升溫程序；待加熱到預定的反應溫度時，啟動霧化器，并把N2流量調到120sccm，將配置好的前驅體溶液經(jīng)霧化后用N2作為載氣帶入到剛玉管，同時通入NH3(100sccm)。反應時間為2h。反應完畢后，關閉N2和霧化器。系統(tǒng)在N2的保護下，自然降溫到600℃以下，在管內的下風向處，可以收集到產(chǎn)量較多灰白色的顆粒狀產(chǎn)物。將收集到的產(chǎn)物用CH3OH洗滌2次，離心分離，并且烘干。干燥后放入陶瓷方舟中，置于高溫爐通入NH3，1200℃下退火4h。

1.4AlN粉末的表征

用丹東Y-2000X射線粉末衍射儀對所得到產(chǎn)物的晶體結構和相純進行表征, 工作條件為:Cu 靶, 石墨片濾波, 管壓30kV, 電流20mA, 步長0.03(°)/s, 掃描范圍: 20～60°。利用JEOL JSM-6700F型掃描電鏡觀察粉末的形貌、尺寸以及分布情況。

2 結果與討論

2.1樣品的XRD分析

圖2是在1200 ℃的反應溫度下制備，并通過1200℃退火4h后所得到樣品的XRD衍射圖譜。圖中的衍射峰位對應的晶面指數(shù)分別為(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)和(112)晶面，這和六方AlN的標準圖譜基本一樣。這說明所得到的粉末純度比較高，沒有氧化鋁及其他鋁酸鹽雜質成分存在。

2.2樣品的SEM分析

圖3是經(jīng)過1200 ℃退火后得到樣品的SEM(掃描電鏡)照片，從低倍率的SEM照片中可以看到制備的AlN顆粒呈現(xiàn)的是類似球狀的形貌，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)小面積的團聚現(xiàn)象，或許是由于殘留在顆粒表面的部分未洗干凈的Al2O3在NH3條件下退火將附近的AlN球燒結在一起所造成的。制備樣品的直徑約在100～200nm。

圖2 制備樣品的X射線衍射圖 圖3 AlN粉末的掃描電鏡圖

2.3試驗條件與機理的討論

1) 前驅體的配制 在一般的噴霧熱分解技術的合成步驟中，前驅體的配制比較重要；而前驅體對于經(jīng)過改良后的超聲霧化技術也同樣重要。真溶液、水溶液都可以作為前驅體，而醇類和有機溶液作為前驅體也有很多報道[13]。前驅體溶液的粘滯度會最終影響產(chǎn)物的形貌和顆粒的尺寸。下面，筆者對前驅體對產(chǎn)物的影響做了一系列的對比試驗。

圖4是不同的前驅體溶液在1200℃下制備的樣品形貌，其中圖4(a)的前驅體為異丙醇鋁溶于乙醇，得到的樣品沒有具體的形貌；圖4(b)的前驅體為Al(NO3)3溶于蒸餾水，樣品形貌不唯一。筆者猜想導致樣品形貌變化的原因在于異丙醇鋁溶于乙醇和硝酸鋁溶于水的溶解度不同，以及形成前驅體溶液的粘滯性不一樣，這些都會影響前驅體隨著載流氣體進入反應容器中的速率以及總量，而導致最終影響樣品的形貌及其產(chǎn)量。

圖4 不同前驅體制備樣品的SEM圖

2)退火對樣品的影響 圖5是在1200℃下制備的樣品，此樣品沒有經(jīng)過高溫退火，從EDS(能量色散譜儀)圖中可以看到O的含量相對較高，推斷此時的樣品中含有少量的Al2O3,而通過NH3氣氛內高溫退火之后可以得到純凈的AlN，而且通過掃描電鏡圖發(fā)現(xiàn)樣品的球狀不是很明顯，且有比較嚴重的團聚現(xiàn)象。

3 結 語

筆者以Al(NO3)3和CH3OH為反應原料制備前驅體，超聲霧化后與NH3在高溫下反應制備了大量直徑在100～200nm的類球狀AlN顆粒。且對不同前驅體制備的AlN粉末的形貌進行了分析，找到了能夠制備類球狀AlN粉末相對較好的前驅體溶液。這種方法成本低廉，工藝簡單，但是得到的AlN顆粒仍有團聚想象存在，制備分散性良好的AlN顆粒是需要進一步改進和研究的地方。

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[編輯] 洪云飛

O469

A

1673-1409(2009)01-N026-03

2008-12-09

湖北省教育廳重點項目(D200612001)。

劉素靜(1979-)，女，2004年大學畢業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事凝聚態(tài)物理方面的教學與研究工作。