TRIZ方法在氮化鋁粉體制備中的應(yīng)用與研究

張紅冉 曹獻瑩 田卓

摘 ?要：針對氮化鋁粉體制備工藝中出現(xiàn)的技術(shù)問題，運用TRIZ方法及工具對整個制備工藝流程進行了分析，找到了問題的關(guān)鍵點。再運用沖突理論、分離原理以及標準解進行優(yōu)化設(shè)計，最終給出解決方案。運用TRIZ方法有效提高了氮化鋁粉體顆粒的致密度，使氮化鋁粉體在高導(dǎo)熱填料應(yīng)用方向的性能大大提升。

關(guān)鍵詞：氮化鋁;TRIZ方法;致密度

中圖分類號：TB321 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）19-0047-04

Abstract： Aiming at the technical problems in aluminum nitride powder preparation process， TRIZ method and tools were used to analyze the whole process flow， and the key points of the problems were found. Then use the conflict theory， separation principles and standard solutions to optimize the design， and finally give a solution. Using the TRIZ method effectively improves the density of the aluminum nitride powder particles， so that the performance of the aluminum nitride powder in the application of the high thermal conductivity filler is greatly improved.

Keywords： aluminum nitride; TRIZ method; density

1 概述

氮化鋁（AlN）是一種無機非金屬粉體，具有室溫強度高、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、絕緣性能優(yōu)良、耐高溫、耐腐蝕、介電損耗小、無毒等優(yōu)異的性能。AlN理論熱導(dǎo)率可達320W/m·K，是Al2O3的近10倍，目前工業(yè)已穩(wěn)定實現(xiàn)170W/m·K以上，因此AlN是大功率散熱基板和導(dǎo)熱膠填充物的首選材料。制備氮化鋁粉體的常見方法有鋁粉直接氮化法、碳熱還原法、自蔓延反應(yīng)法等，三種方法各有優(yōu)缺點，其中直接氮化法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的方法。該方法原料豐富，工藝簡單，沒有副反應(yīng)，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[1-2]。

在有機高分子材料中加入氮化鋁粉體，可明顯提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，原理如圖1所示。一般作為導(dǎo)熱填料的AlN粉體希望具有大粒徑、類球形或致密顆粒狀形貌的特征。而利用鋁粉直接氮化法很容易出現(xiàn)不致密的大顆粒和過多的碎小顆粒。目前大粒徑、致密形貌的氮化鋁粉體的制備工藝尚不成熟，日本德山株式會社用陶瓷燒結(jié)工藝制備大粒徑氮化鋁粉體，但作為填料來說成本太高，因此制備大粒徑致密氮化鋁粉體是許多研究者的研究方向。本文應(yīng)用TRIZ方法對此問題進行一系列的優(yōu)化設(shè)計分析。

TRIZ理論簡介：

TRIZ，也稱發(fā)明問題解決理論，創(chuàng)始人是蘇聯(lián)Altshuller。該理論是將各行各業(yè)幾百萬份發(fā)明專利仔細研究、尋找規(guī)律、總結(jié)分析而得出的一種創(chuàng)新方法體系[3-4]。許多技術(shù)問題可以利用其他領(lǐng)域或相似問題的原理和方法得到解決，也就是發(fā)明創(chuàng)造是有規(guī)律可尋和有法可依的[5]。此理論已在國內(nèi)許多企業(yè)推廣使用，對于技術(shù)問題的解決和創(chuàng)新頗有成效。TRIZ可以有目標的解決在科技創(chuàng)新中的難題，過去采用“試錯法”進行研發(fā)創(chuàng)新效率低、耗時費力，TRIZ方法消除了盲目性、漫無邊際的試錯，減少了資源浪費，節(jié)省了寶貴的時間，為科技研發(fā)創(chuàng)新?lián)袢×烁鼮橄到y(tǒng)化、合理化、科學(xué)化的道路。

TRIZ理論的主要工具包括矛盾矩陣及對應(yīng)的40條發(fā)明原理、物質(zhì)場模型分析及對應(yīng)的76個標準解[6-7]。在具體運用的過程中，首先將實際問題加以系統(tǒng)性的分析，轉(zhuǎn)化成TRIZ問題并找到對應(yīng)的解，最后將通用解結(jié)合實際問題給出切實可行的技術(shù)方案。TRIZ解決技術(shù)問題的流程圖如圖2所示。

其實工作中遇到技術(shù)問題，我們確實在用“試錯法”，并企圖從最終目標直接思考解決問題的途徑，將思維局限在本領(lǐng)域內(nèi)，往往問題的解決效率低。TRIZ可以幫助我們打破常規(guī)的思維定式，從系統(tǒng)的角度看待問題，確實是一種解決問題的有效方法。

2 基于TRIZ方法對提高氮化鋁粉體制備系統(tǒng)進行優(yōu)化分析

2.1 功能分析與因果分析

直接氮化法制備氮化鋁粉體，是將鋁粉與高純氮氣接觸，在一定溫度下反應(yīng)生成氮化鋁的過程。工藝中，為了保證產(chǎn)品顆粒的致密度，往往會采用原料壓實的方法。本實驗采用的是“粉→塊→碎塊→再通入氮氣反應(yīng)”的工藝，將此工藝流程進行功能分析，如圖3所示。通過功能模型分析，描述了系統(tǒng)元件及其之間的相互關(guān)系，找出了氮化鋁相關(guān)問題的功能因素，見圖3中虛線箭頭所示。

再利用因果鏈分析法確定產(chǎn)生問題的原因，從原料選擇、原料的處理以及工藝控制三個方面進行因果分析。沿著三個方向分別進行因果關(guān)系的倒推，找到了導(dǎo)致氮化鋁粉體不致密最根本的問題所在。

2.2 理想解分析及可用資源分析

最終理想解：在低成本下穩(wěn)定制備出粒徑>3μm、粒徑分布可控、微觀形貌中球狀致密顆粒占比為100%的灰白色氮化鋁粉體。

次理想解：在“低成本、粒徑>3μm、100%氮化”的條件下，微觀形貌中致密顆粒占比達80%以上。

可用資源分析：在現(xiàn)有設(shè)備條件下，將所有資源分為系統(tǒng)內(nèi)部資源與系統(tǒng)外部資源進行分析，能創(chuàng)造性的利用系統(tǒng)中的可用資源來有效提供理想化水平，涉及到的資源統(tǒng)計見表1。