氮化鋁粉體制備的研究及展望

楊清華 王煥平 徐時清

(中國計量學院材料科學與工程學院，浙江杭州310018)

氮化鋁粉體制備的研究及展望

楊清華 王煥平 徐時清

(中國計量學院材料科學與工程學院，浙江杭州310018)

氮化鋁陶瓷具有高的熱導率、良好的電絕緣性、低的介電常數和介電損耗，以及與硅相匹配的熱膨脹系數，是現今最為理想的基板材料和電子器件封裝材料。氮化鋁陶瓷的優(yōu)良性能基于其粉體的高質量，因此，高質量氮化鋁粉體的制備是獲得性能優(yōu)良氮化鋁陶瓷的關鍵。本文綜述了氮化鋁粉體制備技術的研究進展，并對其未來發(fā)展方向進行了展望。

氮化鋁，粉體制備，基板材料

1 引言

氮化鋁是一種綜合性能優(yōu)良的陶瓷材料，對其研究可以追溯到一百多年前，但當時僅將其作為一種固氮劑用作化肥。由于氮化鋁是共價化合物，自擴散系數小，熔點高，導致其難以燒結；直到20世紀50年代，人們才首次成功制得氮化鋁陶瓷，并作為耐火材料應用于純鐵、鋁以及鋁合金的熔煉。自20世紀70年代以來，隨著研究的不斷深入，氮化鋁的制備工藝日趨成熟，其應用范圍也不斷擴大。尤其是進入21世紀以來，隨著微電子技術的飛速發(fā)展，電子整機和電子元器件正朝微型化、輕型化、集成化，以及高可靠性和大功率輸出等方向發(fā)展，越來越復雜的器件對基片和封裝材料的散熱提出了更高要求。傳統(tǒng)的樹脂基板與氧化鋁陶瓷基板，其熱導率均在30 W/(moK)以下，遠不能滿足大規(guī)模集成電路以及復雜器件的發(fā)展需要。氧化鈹陶瓷材料的熱導率雖然可達350 W/ (moK)，但其價格昂貴，而且在制備過程中具有毒性，限制了其廣泛應用。氮化鋁陶瓷的理論熱導率為320 W/(moK)，并具有良好的電絕緣性、低的介電常數和介電損耗、與硅相匹配的熱膨脹系數，以及良好的化學穩(wěn)定性和環(huán)保無毒等優(yōu)點，已成為當今最為理想的基板材料和電子器件封裝材料[1-4]。

氮化鋁陶瓷的優(yōu)良性能與其原始粉體的純度有著直接的關系。氮化鋁粉體中雜質的存在將對陶瓷的熱導率產生負面影響，氮化鋁的導熱機制是聲子傳導，晶格的缺陷、氣孔和雜質都會對聲子產生散射，從而降低氮化鋁陶瓷的熱導率。特別是O原子固溶入氮化鋁晶格，占據N原子的位置，產生Al空位，形成強烈的聲子-缺陷散射，使氮化鋁陶瓷的熱導率急劇下降；當氮化鋁陶瓷中氧含量為0.12 wt%時，其熱導率降至185 W/(moK)，當氧含量上升到0.31 wt%時，其熱導率下降到130 W/(moK)[5]。雜質的存在還將對陶瓷的絕緣性能產生嚴重影響，Kurameto等的研究發(fā)現，當氮化鋁粉體中的Si、Fe、Mg等元素含量超過2×10-4時，陶瓷的絕緣性能就出現明顯下降[6]。此外，細小的粉體顆粒和窄的粒度分布均能有效提高氮化鋁陶瓷的燒結性能[7]，從而有效提高氮化鋁陶瓷的熱傳導與電絕緣性能，并降低其介電損耗。因此，如何獲得氧等雜質含量低、粉體粒徑小以及粒度分布窄的高質量氮化鋁粉體已成為目前廣大科研工作者研究的重點。本文綜合闡述了國內外有關氮化鋁粉體的制備方法，并對氮化鋁粉體制備的發(fā)展方向進行了展望。

2 氮化鋁粉體的制備方法

2.1 直接氮化法

直接氮化法就是在高溫的氮氣氣氛中，鋁粉直接與氮氣化合生成氮化鋁粉體，其化學反應式為2Al(s) +N2(g)→2AlN(s)。該方法原料豐富，工藝簡單，沒有副反應，適合大規(guī)模工業(yè)化生產。但該法存在產率低、粉體易團聚結塊等缺點：在反應初期，鋁粉表面被氮化成氮化鋁層，從而阻礙N2向顆粒中心的擴散，致使氮化鋁的產率較低；此外，鋁與氮氣的反應是強放熱反應，釋放出的熱量會導致粉體產生自燒結而形成團聚，從而使得粉體顆粒粗化。

為克服直接氮化法的缺陷，相關研究者先后采用延長氮化時間、增加氮化次數、利用機械粉碎、使鋁粉懸浮以及采用氨氣替代氮氣等來提高氮化鋁產率并細化粉體粒徑。林健涼等通過延長反應時間，使N2有足夠的時間向粉體顆粒內部擴散，以此來提高氮化鋁的產率[8]，但長時間的保溫致使制備成本大幅上升，而且粉體顆粒的結塊問題更為嚴重，因此單純通過延長反應時間來提高氮化鋁產率的實際應用價值不高。仝建峰等提出利用兩次氮化法來提高氮化鋁的產率，首先在800℃進行一次氮化，然后利用機械粉碎解決鋁粉結塊問題，經球磨后再在1200℃進行二次氮化[9]。兩次氮化法雖然在一定程度上提高了氮化鋁的產率，但其增加了工序、提高了制備成本，而且對氮化鋁產率的提高程度有限，因為在二次氮化中仍然會存在表面氮化鋁層阻礙N2向顆粒中心擴散的難題。為了使鋁粉顆粒更好地與N2接觸發(fā)生反應，Selvaduray等使鋁粉在懸浮狀態(tài)下發(fā)生氮化，在一定程度上提高了氮化鋁的產率[10]。Qiu等在使粉體懸浮的同時利用部分氨氣代替氮氣，由于N-H鍵的鍵能低于N-N鍵的鍵能，因此能達到降低反應溫度的目的，從而在提高氮化鋁產率基礎上有效減少鋁粉的結塊[11]。但上述采用鋁粉懸浮的工藝過程較為復雜，而且氨氣相比氮氣的價格要高，均在一定程度上增加了直接氮化法的制備成本。

為在較低制備成本下提高氮化鋁產率、降低氮化層對N2的阻礙，采用粒徑細小的鋁粉以及合適的添加劑是更為有效的手段。細小粒徑的鋁粉有著高的比表面積，能夠充分和氮氣接觸，從而提高氮化鋁產率。Yoshikazu等研究發(fā)現，細小粒徑的鋁粉除了能提高氮化產率外，還能有效降低氮化溫度，當鋁粉粒徑從100～150 nm降低到3～20 nm時，其氮化溫度從800℃降低到600℃[12]，氮化溫度的降低能有效防止粉體顆粒的粗化。合適添加劑的引入不僅能降低氮化溫度，還能促進氮化完全、提高氮化鋁產率。Cerber等探討了利用AlN作為添加劑對直接氮化法產率的影響，發(fā)現AlN添加劑的引入能有效提高鋁粉的轉化率并獲得氮化完全的產物[13]；Yeh等在加入AlN作為稀釋劑基礎上，以Si3N4代替部分AlN，既能使鋁粉氮化完全，又不至于使制備成本大幅增加[14]，但由于Si3N4的熱導率遠低于AlN的熱導率，當產物中混合有Si3N4時，會在較大程度上降低AlN的熱導率。

為提高氮化鋁產率，又不至于引入雜質影響氮化鋁的性能，一些在高溫下易揮發(fā)的鹵鹽添加劑成為最佳選擇。邱羽等采用NH4Cl/KCl為復合添加劑，使氮化溫度降低約200℃，在1000℃的氨氣中氮化5 h后即可獲得純的、顆粒尺寸小于100nm的氮化鋁粉體，并且NH4Cl、KCl在高溫時發(fā)生揮發(fā)而不會殘留[15]。其中NH4Cl分解是吸熱過程，可以降低燃燒溫度，且其分解發(fā)生在鋁粉的內部，隨著氣態(tài)分解物的釋放，會減少鋁粉顆粒的熔融和團聚；而KCl的蒸發(fā)可以破壞鋁粉表面的氮化膜，促進鋁粉完全氮化。

直接氮化法的工藝簡單，適合大規(guī)模工業(yè)化生產。為克服直接氮化法過程中N2擴散緩慢、鋁粉結塊以及反應溫度偏高的缺陷，可以通過以下研究思路進行解決：（1）改進工藝條件，使鋁粉能更好地與氮氣接觸，提高氮化鋁產率；（2）以氨氣、氫氣等低鍵能氣體部分代替氮氣，降低氮化溫度，防止鋁粉結塊，細化產物粒徑；（3）加入合適的助劑來降低氮化溫度或促進氮化反應，同時盡量使助劑在高溫下?lián)]發(fā)，從而在不影響氮化鋁純度的基礎上提高產率并防止粉體結塊。

2.2 碳熱還原法

碳熱還原法就是將混合均勻的Al2O3和C在N2氣氛中加熱，首先Al2O3被C還原，所得產物Al再與N2反應生成AlN，其化學反應式為Al2O3(s)+3C(s)+ N2(g)→2AlN(s)+3CO(g)。碳熱還原法具有原料豐富、工藝過程簡單等特點，合成的粉體純度高、粒徑小且分布均勻；其主要劣勢在于合成時間較長、氮化溫度較高，而且反應后還需對過量的碳進行除碳處理，導致生產成本較高。

為在較低制備成本下提高碳熱還原法的產率、獲得氮化完全的AlN粉體，早期研究者主要通過探討不同煅燒溫度與不同保溫時間對碳熱還原產物的影響規(guī)律，以期在盡可能低的煅燒溫度與短的保溫時間下獲得高純度的氮化鋁粉體，從而達到降低制備成本的目的[16]。劉新寬等對碳熱還原法制備氮化鋁粉體進行了深入的機理探討，詳細闡述了氣-固和固-固反應機制的特點，為煅燒溫度與保溫時間的選擇提供了理論依據[17]。除了煅燒溫度與保溫時間外，原料的粉體粒徑、Al2O3與C粉的混合均勻性、不同的鋁源和碳源，以及不同的氮化氣氛和加熱方式等均對碳熱還原產物有著重要的影響。

Al2O3原料的粉體粒徑越小，其表面積越大、表面自由能越高，與C粉接觸的面積也越大，從而能有效促進碳熱還原反應的進程[18-20]。此外，Al2O3粉體與C粉的混合越均勻，越利于碳熱還原反應的進行。傳統(tǒng)獲得混合均勻且粒徑細小的Al2O3與C粉的主要方法是通過球磨共混的方式來實現[21-22]。隨著濕化學方法的發(fā)展，利用組元在溶液狀態(tài)下實現的分子級水平混合，可獲得組元分散均勻的納米級Al2O3與C粉前驅體，如馬艷紅和陳廣樂等分別利用溶膠-凝膠技術和共沉淀技術實現鋁源與碳源的均勻混合，并在1550℃保溫1 h獲得了單一的AlN相[23-24]。秦明禮等以硝酸鋁和碳黑為原料，利用化學沉淀法制備混合均勻的Al2O3與C前驅體，在1550℃煅燒也獲得了氮化完全的AlN粉體，其氮含量為33.20%，氧含量為0.98%，比表面積為4.26 m2/g[25]。通過在濕化學法中引入有機燃料，利用濕化學法與低溫燃燒法的復合，能有效提高碳熱還原前驅體的性能，在1450℃即能獲得氮化完全的氮化鋁粉體[26-28]。但是利用溶膠-凝膠法或共沉淀法等濕化學方法制備氮化鋁粉體，其生產周期一般比較長、能耗比較大，在當前的實際應用中缺乏經濟性；而低溫燃燒法的原料相對比較昂貴，且超細粉末的低溫燃燒制備技術還不是很成熟，有待進一步研究。

不同的鋁源和碳源對碳熱還原法合成氮化鋁粉體也有著較大的影響。利用活性較高的鋁源和碳源，能有效促進碳熱還原反應的進行，在較低溫度下即可獲得性能優(yōu)良的氮化鋁粉體。如匡加才等以活性炭作為碳源，探討了γ-Al2O3、水鋁石、Al(OH)3為鋁源時對碳熱還原法合成氮化鋁粉體的影響，結果發(fā)現以活性較高的Al(OH)3為鋁源效果最好[29]。肖勁等則研究了不同碳源的影響，發(fā)現有機碳源的效果比較好[30]。趙志江等以活性高的勃母石（γ-AlOOH）為鋁源、以蔗糖為碳源制得前驅體，在1000℃即有AlN相出現，溫度升高到1480℃，保溫1 h即獲得氮化完全、平均粒徑為200 nm、氧含量為0.6%的氮化鋁粉體[31]。

不同的氮化氣氛對碳熱還原法也有著重要的影響，選用分子鍵能較低的氮化氣氛，能促使反應在較低的溫度下進行。Tomohiro等以Al(OH)3為鋁源，在流通的NH3-0.5wt%C3H8混合氣體下，1300℃即能獲得氮化完全的氮化鋁粉體[32]。此外，利用一些先進的加熱方式，也會降低氮化溫度。如肖勁等以Al(OH)3為鋁源、乙炔黑為碳源，在流通的N2氣氛下用微波加熱，在1300℃保溫1h即獲得了單一的氮化鋁晶相[33]。

碳熱還原法所合成的AlN粉體純度高、粒徑小且分布均勻，具有良好的應用前景，為進一步提高碳熱還原產物的純度、降低其制備成本，可以通過以下研究思路進行解決：（1）提高氧化鋁粉體與碳源的質量，減小原料粒徑、提高原料純度、采用高活性的原料是獲得高質量AlN粉體的前提條件；（2）改進原料的混合工藝條件，實現鋁源與碳源的均勻分散，特別是探討采用濕化學方法實現組元先驅體在分子級水平的均勻混合；（3）改進碳熱還原工藝條件，包括加熱方式、還原氣氛、原料與氣體的接觸方式等，以期在盡可能低的溫度與盡可能短的時間里獲得高質量的氮化鋁粉體。

2.3 高能球磨法

高能球磨法是指在氮氣或氨氣氣氛下，利用球磨機的轉動或振動，使硬質球對氧化鋁或鋁粉等原料進行強烈的撞擊、研磨和攪拌，從而直接氮化生成氮化鋁粉體的方法。高能球磨法具有設備簡單、工藝流程短、生產效率高等優(yōu)點，但在球磨過程中容易引入雜質，導致粉體的質量較低。

江巍等在氮氣氣氛下將氧化鋁置于高能球磨機中，經過18 h的球磨后，氧化鋁開始轉化成氮化鋁，當球磨時間延長到21 h時，氮化已經相當完全[34]。Calka在1600 Pa的氨氣或氮氣環(huán)境中利用高能球磨機研磨鋁粉，在350℃時開始反應，510℃達到最大反應速率，經過200 h研磨后氮化合成了納米級的氮化鋁粉體，氮化率達到88.28%[35]。高能球磨法利用直接氮化法和機械力合成法的結合，既簡化了制備工藝，又不至于使反應溫度過高，制備過程易于控制；但該法還處于研究的初步階段，需要進一步探討出合適的工藝條件。

高能球磨法雖然具有設備簡單、生產效率高、生產成本低的優(yōu)點，但其制備獲得的粉體雜質含量相對偏高、氮化難以完全。為減少高能球磨產物的雜質含量、提高粉體質量，需要在以下方面做進一步的研究：（1）詳細探討機械力誘導氮化反應的機理，揭示高能球磨法制備氮化鋁粉體的動力學過程；（2）進一步探討不同工藝條件對高能球磨產物的影響規(guī)律，獲得高氮化產率的工藝參數；（3）優(yōu)化高能球磨法的設備材質，減少球磨過程中雜質的引入，提高氮化鋁的純度。

2.4 高溫自蔓延合成法

高溫自蔓延合成法是將Al粉在高壓氮氣中點燃后，利用Al和N2反應產生的熱量使反應自動維持，直到反應完全，其化學反應式為2Al(s)+N2(g)→2AlN(s)。高溫自蔓延合成法的本質與鋁粉直接氮化法相同，但該法不需要在高溫下對Al粉進行氮化，只需在開始時將其點燃，故能耗低、生產效率高、成本低。高溫自蔓延合成法雖然在較低的能耗下就能夠獲得氮化鋁粉體，但是要獲得氮化完全的粉體，必需在較高的氮氣壓力下進行，直接影響了該法的工業(yè)化生產。

作為直接氮化法的衍生方法，高溫自蔓延合成法同樣可以借鑒鋁粉直接氮化法的改進方法，以降低氮化溫度和氮化壓力，使其能在較溫和的條件下進行。Rosenband等的研究表明，原料的粒徑大小、添加劑量的多少以及氮氣壓力的大小均對鋁粉轉化率有著重要影響[36]。Fu等在鋁粉中加入一定量的氮化鋁粉作為晶種和分散劑[37]，既降低了氮化溫度，也增加了氮氣在粉體中的滲透，使得反應易于進行。此外，銨鹽系列活性助劑的添加，借助其分解吸熱和在粉體內部釋放氣體，可以有效降低氮化溫度和增大鋁粉與氮氣的接觸，進而降低氮氣壓力；Sakurai等以NH4F為添加劑，在N2中混合部分H2，其中H2的加入降低了燃燒溫度，而NH4F的加入會促進鋁的氮化，最終在1.0 MPa的N2-H2混合氣體中獲得氧含量為0.7%的氮化完全的粉體[38]。崔珊等以鋁粉為原料、氟化銨為添加劑，在小于2.5 MPa的氨氣氣氛中即得到氮化鋁粉體[39]。另外，一些先進的工藝方法，也能在較低的壓力下獲得氮化鋁粉體。楊海濱等就采用電爆炸的SHS方式，在0.25～1.5 MPa純氮氣氣氛下用導線電爆炸（WEE）方法合成了六方結構的納米氮化鋁粉體[40]。

在成功降低反應過程中的超高氮氣壓力之后，自蔓延合成法開始進入工業(yè)生產，但由于其反應迅速，不易控制，且所需生產設備比較復雜，目前僅處于工業(yè)應用的起步階段，若要實現自蔓延合成法的成熟應用，其具體的操作條件還需進一步完善。

2.5 原位自反應合成法

原位自反應合成法的原理與直接氮化法的原理基本類同，以鋁及其它金屬形成的合金為原料，合金中其它金屬M先在高溫下熔出，與氮氣發(fā)生反應生成MNx，繼而金屬Al取代氮化物MNx中的金屬M，生產AlN。原位自反應合成法具有工藝簡單、原料豐富、反應溫度低等特點，合成粉體的氧雜質含量低；但其有一個致命的缺陷，即金屬雜質難以分離，導致其絕緣性能較低。

鄭新和等以Al-Mg和Al-Mg-Y合金為原料，通入高純N2，合成了AlN粉體以及含有燒結助劑的復合AlN粉體[41]；Ye等以Mg-Al合金為原料，加入Mg3N2作為添加劑，通入高純N2氣在700℃即得到AlN粉體[42]。合金中的Mg由于其高的蒸汽壓，在反應初期，很快從合金熔體中熔出并揮發(fā)，破壞生成的表面膜，與氮氣反應生成Mg3N2，從而使氮化反應在較低的溫度下進行，而加入Mg3N2作為晶種，能促進Mg的氮化。金海波等以Al(Mg、Si)合金為原料，在1273 K下合成了AlN粉體，并探討了Mg、Si在反應中的作用機理，認為Mg主要是起到持續(xù)脫氧的作用，而Si實質上是在氮化過程中起著單相催化作用[43]。

原位自反應法合成法的反應機理已經研究得比較透徹，但在分離合金雜質方面的研究并不是很多，其絕緣性能低的問題依然存在，限制了該法在工業(yè)上的廣泛應用。因此，如何分離金屬粉體，獲得金屬雜質含量低的氮化鋁粉體是原位自反應合成法的主要研究方向。

2.6 等離子化學合成法

等離子化學合成法是使用直流電弧等離子發(fā)生器或高頻等離子發(fā)生器，將Al粉輸送到等離子火焰區(qū)內，在火焰高溫區(qū)內，粉末立即融化揮發(fā)，與氮離子迅速化合而成為AlN粉體。

等離子化學合成的氮化鋁粉體團聚少、粒徑小，但該法為非定態(tài)反應，只能小批量處理，難于實現工業(yè)化生產，且其氧含量高、所需設備復雜和反應不完全。因而，如何提高其產品純度和轉化率，以及優(yōu)化其制備工藝條件是目前的主要研究方向；不過受制于設備及其它技術條件的限制，這方面的研究并不多。只有少數研究者在實驗室條件下作了驗證性的研究。如尚書勇等在等離子體功率12 kW，以微米級鋁粉為原料，運行N2流量2 m3/h，急冷NH3流量0.6 m3/h，送粉N2流量0.8 m3/h條件下，鋁粉全部轉化為氮化鋁，粉末平均粒徑為100 nm，粒度分布為40～140 nm[44]。

2.7 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是指反應物質在氣態(tài)條件下發(fā)生化學反應，生成固態(tài)物質沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進而制得固體材料的工藝技術。它本質上屬于原子范疇的氣態(tài)傳質過程。按照選用原料的不同，可分為無機物(鹵化鋁)和有機物(烷基鋁)的化學氣相沉積法。

化學氣相沉積法制備氮化鋁粉體，最常用的是以鹵化鋁或鋁的金屬有機化合物為原料，與NH3經過兩個氣相反應過程，最終合成AlN。如Masayuki等以碘化鋁和氨氣為原料，在常壓下利用鹵化物-化學氣相沉積法(AP-HCVD)獲得了氮化鋁薄膜[45]。葉亞平等以疊氮二乙基鋁(CH3CH2)2AlN3為前驅物，在氣溶膠反應器中熱分解制備氮化鋁納米粉體[46]。以無機鋁作為原料，隨著進料溫度的不同，會在不同階段產生不同的中間產物，同時會產生副產物鹵化氫氣體，對設備產生腐蝕。而以烷基鋁作為原料，反應過程簡單，不會產生腐蝕性氣體，且生成的烷基會在高溫下?lián)]發(fā)。但烷基鋁價格比較昂貴，限制了其大規(guī)模的工業(yè)應用。

作為化學氣相法的發(fā)展，又衍生出兩種新的方法：以無水鹵化鋁和氮化物為原料，利用溶劑放熱在低溫、常壓下制備得到氮化鋁粉體的溶劑熱法[47-48]；以鋁粉和有機氮化物為原料，在流動N2氣氛下合成氮化鋁粉體的有機鹽裂解法[49]。由于在制備過程中沒有加入其它金屬離子，以上兩種方法獲得粉體純度高，且由于在溶液或者氣相狀態(tài)下合成，得到的粉體粒徑小，但是它們原料相對比較昂貴，工藝條件比較苛刻，同樣難于滿足工業(yè)應用要求。

3 小結及展望

3.1 小結

氮化鋁粉體最基本的制備方法是鋁粉直接氮化法和Al2O3碳熱還原法，其制備技術已經比較成熟，并廣泛應用于工業(yè)化生產；目前市場上銷售的大部分氮化鋁粉體都是由這兩種方法制備的。而像高溫自蔓延合成法、高能球磨法、原位自反應合成法和等離子化學合成法等，都是在上述兩種方法基礎上衍生出來的具有應用潛力的制備方法。雖然研究者做了眾多研究，但限于一些缺點，如高溫自蔓延法和等離子化學合成法對設備的要求較高，且反應迅速不易控制；高能球磨法獲得的粉體質量較低、雜質含量偏高；原位自反應合成產物的金屬雜質不易排出，它們若要進入實際應用還需要更為深入的研究。而化學氣相沉積法，及其衍生出來的溶劑熱法和有機鹽裂解法，從原料、設備到工藝工程要求都比較苛刻，實際應用意義不大。

3.2 展望

對于氮化鋁粉體的制備，研究者已經做了大量的研究，在繼續(xù)對各種粉體制備方法進行深入探討的同時，我們還應考慮粉體制備與后續(xù)陶瓷燒結相結合，畢竟應用是關鍵。由于氮化鋁粉體在空氣中易水解和被氧化，導致其儲存和運輸困難，因此，如何提高氮化鋁粉體的抗水性和抗氧化性是今后研究的方向之一。當前，已經有少數研究者做了相關的研究，如Ganesh等以磷酸鹽處理氮化鋁粉，成功使得氮化鋁粉在水中72 h不發(fā)生水解[50]。由于氮化鋁陶瓷燒結溫度高，在其燒結過程中經常要加入一些助劑，如果獲得含有燒結助劑的氮化鋁粉體，就可以避免后續(xù)的混料過程，既可以防止混料過程中雜質的混入，又能減少工序。因此，如何制備含有燒結助劑的氮化鋁粉體也是今后研究方向之一。同時，為了拓寬氮化鋁的應用范圍，充分利用氮化鋁的各項優(yōu)良性能，氮化鋁基復合材料體系也是今后的研究方向之一。

1中國硅酸鹽學會.陶瓷指南'96.北京:中國建材工業(yè)出版社, 1996:58～62

2 Tummala R.R.Ceramic and glass-ceramic packing in the 1990. J.Am.Ceram.Soc.,1991,74(5):895～895

3 Slack G.A.,Tanzilli R.A.,Pohl R.O.,et al.The intrinsic thermal conductivity of AlN.J.physics Chem.Solid,1987,48 (7):641～642

4秦明禮,曲選輝,黃棟生等.氮化鋁（AlN）陶瓷的特性、制備及應用.陶瓷工程,2008,8:39～42

5 Bachelard R.and Joubert G.Materials Science Engineering A, 1989,109(1-2):247～251

6 Kurameto N.,Taniguchi H.and Aso I.J.Ceram.Soc.Jpn., 1978,86(4):174～174

7師瑞霞,尹衍升.氮化鋁陶瓷的制備及其在復合材料中的應用研究.硅酸鹽通報,2004,1:58～61

8林健涼,曲選輝,黃棟生等.AlN陶瓷粉末制備方法特點和進展.功能材料,2001,6(32):576～579

9仝建峰,周洋,陳大明.氮化鋁粉末的制備方法與機理.硅酸鹽通報,2005,5:12～16

10 Selvaduray G.and Sheet L.Aluminum nitride:review of synthesis methods.Journal of the European Ceramic Society, 1993,9:463～473

11 Qin Y.and Gao L.Nitridation reaction of aluminum powder in flowing ammonia.Journal of the European Ceramic Society, 2003,23:2015～2022

12 Yashikazu K.,Masaki I.,Atsuo Y.,et al.Low temperature synthesis of AlN by addition of various Li-salts.Journal of the European Ceramic Society,2004,24:3081～3086

13 Cerber D.K.,Poste S.D.,Aghajanian M.K.,et al.Direct nitridation to AlN from Al/AlN compounds.Ceramic Engineering Science,1988,9:975

14 Yeh C.L.and Lin E.W.Effects of Si3N4 addition on formation of aluminum nitride by self-propagating combustion synthesis.Journal of Alloys and Compounds, 2007,433:147～153

15邱羽,高濂.NH4Cl/KCl添加劑對鋁粉氮化反應的影響.無機材料學報,2001,1(19):69～74

16吳華忠,黃雅麗,鄭惠榕.碳熱還原法合成氮化鋁陶瓷粉末的研究.佛山陶瓷,2005，8:3～6

17劉新寬,馬明亮,周敬恩.碳熱還原法制備氮化鋁反應機制的研究進展.硅酸鹽通報,1999,1:35～39

18張德,張志.碳熱還原法制備氮化鋁粉末.非金屬礦,2001,11: 32～34

19劉新寬,馬明亮,周敬恩.球磨促進碳熱還原反應合成氮化鋁研究.功能材料,2000,1(31):82～86

20李鵬亮,周敬恩,席生岐.高能球磨制備立方AlN及其高溫相變.無機材料學報,2000,4(21):821～827

21 Parashar S.K.S.,Choudhary R.N.P.and Murty B.S. Electrical properties of Gd-doped PZT nanoceramic synthesized by high-energy ball milling.Materials Science and Engineering B,2004,110:58～63

22 Xi S.Q.,Liu X.K.,Li P.L.,et al.AlN ceramics synthesized by carbothermal reduction of mechanical activated Al2O3. Journal of Alloys and Compounds,2008,457:452～456

23馬艷紅,陳瑋.溶膠-凝膠法制備氮化鋁粉體.真空電子技術,2009,4:78～80

24陳廣樂,范仕剛,趙春霞等.前驅體制備與氮化還原法合成AlN粉體的物相分析.真空電子技術,2009,2:45～50

25秦明禮,杜學麗,李帥等.沉淀前驅物制備AlN陶瓷粉末.中國有色金屬學報,2005,12(15):1975～1979

26 Kingsley J.J.and Patil K.C.A novel combustion process for the synthesis of fine particle-aluminum and related oxide materials.Mater.Lett.,1988,6(11/12):427～432

27 Qin M.L.,Du X.L.,Li Z.X.,et al.Synthesis of aluminum nitride powder by carbothermal reduction of a combustion synthesis precursor.Materials Research Bulletin,2008,43: 2954～2960

28 Kuang J.C.,Zhang C.R.,Zhou X.G.,et al.Influence of processing parameters on synthesis of nano-sized AlN powders.Journal of Crystal Growth,2004,263:12～20

29匡加才,張長瑞,周新貴等.不同鋁源對碳熱還原法合成氮化鋁粉末的影響.宇航材料工藝,2003,5:44～47

30肖勁,周峰,陳燕彬.微波碳熱還原法制備氮化鋁粉末的工藝研究.無機材料學報,2009,4(24):755～758

31趙志江,林生,余寒峰等.碳熱還原氮化法制備AlN超細粉體新工藝.機械工程材料,2009,2(33):49～52

32 Tomohiro Y.,Junichi T.,Katsutoshi K.,et al.Synthesis of AlN powder from Al(OH)3by reduction-nitridation in a mixture of NH3-C3H8gas.Journal of the European Ceramic Society, 2006,26:2413～2418

33肖勁,陳燕彬,周峰等.煅燒方式和添加劑對碳熱還原法制備氮化鋁粉末的影響.粉末冶金技術,2008,5(26):332～335

34江巍,劉亞云.利用機械力化學合成氮化鋁的初步研究.電瓷避雷器,2005,6:16～18

35 Calka A.Low temperature synthesis of Al-AlN composites from a nano structure made by controlled magneto-ball milling of Al in ammonia.J.Appl.Phy.,1994,10(75):15～17

36 Rosenband V.and Gany A.Activation of combustion synthesisof aluminum nitride powder.Journal of Materials Processing Technology,2004,147:197～203

37 Fu R.,Chen K.,Agathopoulos S.,et al.Factors which affect the morphology of particles made by Self-propagating high-temperature synthesis(SHS).Journal of Crystal Growth, 2006,296:97～103

38 Sakurai T.,Yamada O.and Miyamoto Y.Combustion synthesis of fine AlN powder and its reaction control. Materials Science and Engineering A,2006,415:40～44

39崔珊,王芳.SHS法制備高性能Y2O3摻雜AlN陶瓷粉體.中國陶瓷,2008,2(44):32～34

40楊海濱,徐鵬,李明輝等.納米氮化鋁粉體的點爆炸合成.納米加工工藝,2004,1(10);34～37

41鄭新和,王群,林志浪等.原位合成AlN及添加釔的復合AlN粉體.中國稀土學報,2001,5(19):430～434

42 Ye H.Z.,Lin X.Y.and Luan B.In situ synthesis of AlN in Mg-Al alloys by liquid nitridation.Journal of Materials Processing Technology,2005,166:79～85

43金海波,陳克新,周和平等.原位自反應合成AlN粉體.金屬學報,2000,7(36):775～779

44尚書勇,梅麗,李蘭英等.等離子體法制備超細粉體氮化鋁的研究.化工新型材料,2004,7(32):8～10

45 Masayuki Y.,Naoyuki T.and Takato N.Growth of the AlN nano-pillar crystal films by means of a halide chemical vapor deposition under atmospheric pressure.Materials Chemistry and Physics,2004,86:74～74

46葉亞平,王麗華,姜莉等.氣溶膠反應器分解疊氮二乙基鋁制備氮化鋁粉體.北京科技大學學報,2001,6(23):535～538

47陸紅霞,曹潔明,馬賢佳等.氮化鋁的溶劑熱合成及形貌研究.功能材料,2005,7(36):1015～1016

48 Li L.,Hao X.P.,Yu N.S.,et al.Low-temperature solvent thermal synthesis of cubic AlN.Journal of Crystal Growth, 2003,258:268～271

49李清濤,吳清仁,孫創(chuàng)奇等.高熱導率AlN陶瓷材料制備與應用進展.陶瓷學報,2007,1(28):57～64

50 Ganesh I.,Thiyagarajan N.,Sundararajan G.,et al.A non-aqueous processing route for phosphate-protection of AlN powder against hydrolysis.Journal of the European Ceramic Society,2008,28:2281～2288

Abstract

Aluminum nitride (AlN)ceramics have been used as substrate and packaging materials for high-performance electronic devices due to their high thermal conductivity,good electrical insulation,low dielectric constant and dielectric loss, and thermal expansion coefficient close to that of silicon.As the excellent properties of the aluminum nitride ceramics are based on the high quality of their powders,the preparation of high quality powders becomes the key technology.The development in the preparation technology of aluminum nitride powders has been discussed,and also the developing trends of the powders are prospected.

Keywords aluminum nitride,preparation of powders,substrate materials

RESEARCH AND PROSPECT OF PREPARATION OF ALUMINUM NITRIDE POWDERS

Yang Qinghua Wang Huanping Xu Shiqing
(College of Materials Science and Engineering,China Jiliang University,Hangzhou Zhejiang 310018,China)

TQ174.75

A

1000-2278（2010）04-0651-07

2010-07-12

教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-07-0786)；浙江省重點科技創(chuàng)新團隊(2009R50010)

徐時清，E-mail:sxucjlu@hotmail.com