氮化鋁陶瓷粉體制備方法研究進(jìn)展

江楠

摘 ?要：氮化鋁陶瓷屬優(yōu)質(zhì)陶瓷材料，自身熱導(dǎo)率高、電絕緣性良好、介電常數(shù)及損耗低，受到高功率電子生產(chǎn)行業(yè)廣泛歡迎。氮化鋁陶瓷主要應(yīng)用在高導(dǎo)熱基板材料和高功率電子器件封裝上，其自身優(yōu)勢性能對促進(jìn)機(jī)械電子行業(yè)發(fā)展有重要作用。該文就高質(zhì)量氮化鋁陶瓷粉體制備進(jìn)行詳細(xì)分析，分析其技術(shù)進(jìn)展，旨在為深入了解氮化鋁陶瓷粉體制備方式，為相關(guān)部門深入氮化鋁陶瓷研究提供有力參考。

關(guān)鍵詞：氮化鋁陶瓷 ?粉體 ?制備方法 ?研究進(jìn)展

中圖分類號：O614 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）06（c）-0073-02

氮化鋁（Aluminum nitride，AlN）屬六方纖鋅礦共價鍵化合物，呈灰白色，導(dǎo)熱率高，高溫下材料穩(wěn)定，可和硅材料熱膨脹系數(shù)相匹配，為理想的電子封裝散熱材料，對一些對散熱要求較高的設(shè)備而言，以氮化鋁為支持，可以增加設(shè)備自身散熱性能，實現(xiàn)設(shè)備穩(wěn)定工作在電子機(jī)械中應(yīng)用廣泛，可以減小傳統(tǒng)電子散熱器體積，降低成本[1]。

1 ?氮化鋁陶瓷性能

氮化鋁陶瓷性能和其粉體純度有直接聯(lián)系，粉體雜質(zhì)將降低陶瓷熱導(dǎo)率，進(jìn)而導(dǎo)致氣孔及雜質(zhì)對聲子散射。其中，O原子固溶進(jìn)氮化鋁晶格，占據(jù)N原子位置，導(dǎo)致Al空缺，形成聲子，降低熱導(dǎo)率。若氮化鋁陶瓷含氧量為0.12wt%，熱導(dǎo)率對應(yīng)為185W/（m.K），氮化鋁陶瓷含氧量增加到0.31wt%，熱導(dǎo)率對應(yīng)降低為130W/（m.K）。

此外，雜質(zhì)存在還影響陶瓷絕緣性，若氮化鋁粉體中Si、Fe等元素含量在2x10-4以上，則氮化鋁絕緣性明顯下降。細(xì)小粉體及較窄力度分布，則可提高氮化鋁陶瓷燒結(jié)性能，提高其的熱傳導(dǎo)及絕緣性。

2 ?氮化鋁陶瓷粉體制備方法

氮化鋁陶瓷粉體制備方式較多，有鋁粉直接氮化法、Al2O3碳熱還原、自蔓延高溫合成、溶劑熱合成、等離子化學(xué)合成、化學(xué)氣相沉積法等[2]。其中，鋁粉直接氮化法、Al2O3碳熱還原、自蔓延高溫合成方式開展由來已久，已形成規(guī)模化應(yīng)用 ，溶劑熱合成為近幾年氮化鋁陶瓷粉體制備新方式，可制備出結(jié)晶度良好的納米材料。等離子化學(xué)合成雖制備的AIN粉體粒度小，但純度低，操作復(fù)雜?；瘜W(xué)氣相沉積法制備中出產(chǎn)物易出現(xiàn)粉體團(tuán)聚。以下針對前4種制備方式詳細(xì)分析。

2.1 鋁粉直接氮化法

將Al在N2中直接加熱，Al轉(zhuǎn)化為AlN：

2Al+N2=2AlN

600℃環(huán)境下，氯和氮發(fā)生反應(yīng)，溫度越高，氧化速度越快。上述反應(yīng)式反應(yīng)速度快，產(chǎn)物高溫凝結(jié)，鋁粉表面有氮化物膜生成，導(dǎo)致氮?dú)獠荒苌钊霛B透，減緩氮化速度[3]。為避免粉體團(tuán)聚，可采用粒度細(xì)或活化度高的鋁粉，減低氮化溫度，提高反應(yīng)速度。

2.2 Al2O3碳熱還原法

將超細(xì)氧化鋁粉混合碳粉，置于流動氮?dú)庵?，以碳對Al2O3還原，還原出Al和氮?dú)?，流動環(huán)境下生成AlN。

Al2O3+3C+N2=2AIN+3CO

由式子可得到，碳熱還原中，要求Al2O3及C物質(zhì)存在1∶3比例，為確保Al2O3完全轉(zhuǎn)化，需投入充足的碳。融入大量碳，可加快反應(yīng)，提高反應(yīng)效率，增加粒度均勻性。但是，此方式需在反應(yīng)后，600℃～900℃空氣中進(jìn)行脫碳。反應(yīng)得到AlN，其質(zhì)量受原料及氮化溫度影響較大，原料不同，碳熱反應(yīng)氮化溫度也存在差異性。

為確保低溫可獲取高質(zhì)量AlN，選擇機(jī)械活化后達(dá)到納米級Al2O3結(jié)合炭黑作為原料，碳熱反應(yīng)氮化溫度控制1100℃～1250℃。Al2O3碳熱還原中還會加入CaO、CaF2等物質(zhì)，催化反應(yīng)，降低活化能。

2.3 自蔓延高溫合成法

Al在高壓狀態(tài)下被熱源點(diǎn)燃，和N2反應(yīng)，產(chǎn)生高化學(xué)反應(yīng)熱，反應(yīng)自維持，轉(zhuǎn)化為AlN后，反應(yīng)停止。

2A1+N2=2A1N

采用該方式制備，需先對Al引燃，之后無需其他熱源投入。該方式制備簡單，耗能少，可快速獲取所需位置，也可通過燃燒移除反應(yīng)物中易揮發(fā)雜質(zhì)。純化粉質(zhì)。反應(yīng)后，可合成粉體、多孔雜塊物質(zhì)等。反應(yīng)中需快速升溫、降溫，氮?dú)鈮毫Υ?，若氮?dú)鈮毫_(dá)到180MPa，無法獲取高質(zhì)量AlN?？刹捎肗H4F作為氮化劑，NH4F氮化分解，轉(zhuǎn)化為NH3、HF，在較低氮?dú)鈮毫ο律筛呒兌華lN粉體。

2.4 溶劑熱合成法

氮化鋁粉體生成對溫度及壓力有要求，且生成后反應(yīng)活性高，易水解，可采用溶劑熱合成方式支持，保證其穩(wěn)定性：密閉系統(tǒng)中，以有機(jī)溶劑為支持，加熱制定溫度，溶劑產(chǎn)生壓強(qiáng)，物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新物質(zhì)。

例如，采用AlCl3、NaN3反應(yīng)物，200℃高溫下，加入二甲苯，以不銹鋼反應(yīng)釜合成氮化鋁，以700℃退火后，得到高質(zhì)量氮化鋁納米晶。

AlCl3+3NaN3=AIN+3NaCl+4N2

采用該方式制備，在N2保護(hù)的設(shè)備中完成，水、氧對制備結(jié)果影響不大。溶劑熱條件下發(fā)生多種反映，生成氮化鋁純度和反應(yīng)溫度呈正比關(guān)系。加入一定表面活性劑，可提高氮化鋁結(jié)晶度。溶劑熱合成法在常壓下完成，制備簡單，反應(yīng)溫度低，操作安全，制備能耗較低。

3 ?總結(jié)分析

氮化鋁粉體基本制備方式主要為Al2O3碳熱還原法及鋁粉直接氮化法，該技術(shù)應(yīng)用由來已久，在工業(yè)化的生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用。自蔓延高溫合成法是在Al2O3碳熱還原法及鋁粉直接氮化法基礎(chǔ)上衍生的制備方式，制備具有很大潛力。但是自蔓延高溫合成法對設(shè)備要求較高，實際實施可行性不高。采用溶劑熱合成法制備，制備氮化鋁粉純度高，且制備簡單，對設(shè)備要求不高，操作較安全，具有實際推廣意義。

4 ?優(yōu)化氮化鋁制備方式分析

要確保氮化鋁制備穩(wěn)定性，主要解決水解、氧化及添加劑、溫度、雜質(zhì)對氮化鋁制備的影響。對氮化鋁制備方式的優(yōu)化，就應(yīng)向氮化鋁粉體自身的抗水解性進(jìn)行詳細(xì)分析，研究通過科學(xué)的熱處理技術(shù)，融入表面改性技術(shù)，確保氮化鋁粉體自身穩(wěn)定。

為提高氮化鋁粉體整體質(zhì)量穩(wěn)定性，可以在其高溫處理中，適當(dāng)?shù)厝谌胍欢ǖ难鯕?，通過通入氧氣的方式，對氮化鋁粉體表面產(chǎn)生一定保護(hù)，氧氣和氮化鋁粉體反應(yīng)，形成圍繞氮化鋁粉體的氧化鋁薄膜，控制氧化鋁及水發(fā)生共同反應(yīng)。通過加入適當(dāng)?shù)难鯕?，在氮化鋁粉體的制備中，發(fā)現(xiàn)氧氣融入后，氧化的溫度不斷升高，而氮化鋁粉體的水解率大大下降，在800℃溫度支持下，發(fā)現(xiàn)氮化鋁粉體就有良好的抗水解性。通過熱處理，氮化鋁粉體的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性大大提高，且采用熱處理，其投入成本低，可擴(kuò)大制備。但是熱處理工藝也有其缺點(diǎn)，其實際處理溫度較高，可能導(dǎo)致氮化鋁粉體狀態(tài)不穩(wěn)，有過度氧化出現(xiàn)，影響氮化鋁粉體整體質(zhì)量。因此，在實際制備過程中，需控制好對氮化鋁粉體的熱處理，穩(wěn)定溫度范圍，控制在800℃～900℃以內(nèi)，從而可以靈活控制熱處理中的氧氣分壓，減小其對鋁陶瓷熱導(dǎo)率所造成的影響。

5 ?結(jié)語

綜上所述，對氮化鋁陶瓷粉體制備方法研究進(jìn)展分析，應(yīng)了解氮化鋁陶瓷性能及其不同的制備方式，了解不同工藝尤其自身特點(diǎn)及弊端，在氮化鋁陶瓷粉體制備中，需從制備工藝、投入成本等方面考慮，對于氮化鋁陶瓷粉體制備中容易出現(xiàn)的氧化及水解，通過在其高溫處理中，適當(dāng)?shù)厝谌胍欢ǖ难鯕?，提高氮化鋁陶瓷粉體穩(wěn)定性，為促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)長久發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 倪紅軍，倪威，馬立斌，等.高導(dǎo)熱AlN陶瓷基片制備技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代化工，2017，37（7）：45-48.

[2] 孫躍軍，荀冬雪，劉民.納米氧化鋁粉體制備方法與工藝的研究進(jìn)展[J].中國材料進(jìn)展，2017，36（6）：455-460.

[3] 王宇，謝建軍，汪暾，等.超細(xì)AlN粉體合成與陶瓷制備研究[J].功能材料，2017，48（4）：4136-4140.