前 言

氮化鋁因其高導(dǎo)熱、絕緣的性能得到了廣泛的應(yīng)用，目前全球氮化鋁應(yīng)用市場(chǎng)處于高速成長(zhǎng)期，對(duì)氮化鋁的需求也在持續(xù)增長(zhǎng)。氮化鋁粉末是制備氮化鋁陶瓷的關(guān)鍵原料，其性質(zhì)對(duì)后續(xù)制備氮化鋁陶瓷的性能有決定性影響。本文整理對(duì)比了微米級(jí)與納米級(jí)氮化鋁粉末的制備方法并對(duì)未來(lái)氮化鋁粉末制備的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)提出了展望。

AlN制粉研究進(jìn)展

工業(yè)上制備AlN粉末的方法有三種，分別是直接氮化法，自蔓延高溫合成法與碳熱還原法。其中直接氮化法和自蔓延高溫合成法原理相同，都以金屬鋁為原料，在一定溫度下與氮?dú)庵苯臃磻?yīng)的，但生產(chǎn)設(shè)備與反應(yīng)過(guò)程存在較大的差異。碳熱還原法則是以鋁的化合物為原料，高溫下與碳和氮?dú)夥磻?yīng)。這三種方法都具有成熟的工藝，但在實(shí)際生產(chǎn)中仍有各自的問(wèn)題。

1、直接氮化法

直接氮化法通常使用金屬鋁粉在高溫下直接與氮?dú)夥磻?yīng)合成AlN，粉末無(wú)需特殊的處理。其反應(yīng)原理為：

2Al+N₂→2AlN

反應(yīng)簡(jiǎn)單、能耗低。但此方法也存在反應(yīng)轉(zhuǎn)化率不高、粉體易結(jié)塊、顆粒不規(guī)則、粒度分布寬等問(wèn)題，從而限制了該方法的進(jìn)一步發(fā)展。

2、自蔓延高溫?zé)Y(jié)

現(xiàn)如今，此方法在碳化物、硼化物、氮化物及金屬間化合物的制備中得到了廣泛的應(yīng)用。自蔓延高溫合成是充分利用反應(yīng)中釋放的能量以提高體系內(nèi)未反應(yīng)部位的溫度，引發(fā)鋁與氮?dú)饫^續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)一經(jīng)點(diǎn)燃就不需要其他熱源，反應(yīng)劇烈，燃燒速度快。目前，該方法己開(kāi)始在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，其主要缺點(diǎn)與鋁粉直接氮化法相似，由于反應(yīng)速度太快，反應(yīng)過(guò)程不易控制，產(chǎn)物易結(jié)塊，反應(yīng)不完全的情況。為了降低反應(yīng)條件同時(shí)避免鋁結(jié)塊，通常添加分散劑或添加劑如氮化鋁，氯化銨，三聚氰胺等以保證燃燒的進(jìn)行。

3、碳熱還原法

碳熱還原法通常以鋁的化合物為原料（通常為Al₂O₃），高溫下與碳和氮?dú)獍l(fā)生碳熱還原反應(yīng)，得到AlN粉末，其反應(yīng)原理為：

Al₂O₃+3C+N₂→2AlN+3CO

較直接氮化法與自蔓延高溫合成法而言，碳熱還原法制得的粉末具有更高的純度，較好的球形度，但此方法需在高溫下進(jìn)行反應(yīng)，從熱力學(xué)角度計(jì)算反應(yīng)溫度需達(dá)到1580℃。為降低上述制粉過(guò)程中造成的高能耗，通常采用以下方法：

(1)從原料角度出發(fā)，提高原料粉末（Al₂O₃+C）的反應(yīng)活性。

(2)改變制粉過(guò)程條件，通過(guò)引入微波、高活性氣氛與燒結(jié)助劑的方式降低反應(yīng)溫度。

納米粉末制備方法

納米AlN粉末由于其具有高的表面能從而具有高的燒結(jié)活性，同時(shí)能夠制備出具有細(xì)晶粒組織的AlN陶瓷，根據(jù)霍爾佩奇公式：σ=σ0+ kd?1/2,材料的力學(xué)性能與晶粒尺寸有著密切的關(guān)系，擁有細(xì)小晶粒組織的高強(qiáng)度AlN基板能抵擋高溫度差以及熱沖擊下產(chǎn)生熱應(yīng)力的沖擊，從而延長(zhǎng)AlN基板的使用壽命。同時(shí)，細(xì)小的晶粒并不會(huì)對(duì)導(dǎo)熱率產(chǎn)生明顯影響，因此以納米級(jí)粉末為原料具有制備高性能AlN基板的潛力。

1、濕化學(xué)法

此方法通過(guò)選擇一種或幾種需要的可溶性金屬鹽或氧化物，按所制備材料的成分計(jì)量配制成溶液，使各元素呈離子或分子狀態(tài),能夠?qū)崿F(xiàn)原料分子級(jí)別的混合，解決原料混合的均勻性問(wèn)題。根據(jù)反應(yīng)過(guò)程和所得到的產(chǎn)物，可具體分為以下三種：

(1)溶膠-凝膠法，溶膠凝膠法通常將溶液干燥后得到凝膠，再對(duì)凝膠進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)得到納米AlN粉末。

(2)溶液燃燒合成法，該法通常選用硝酸鋁為鋁源和氧化劑，尿素等有機(jī)物為燃料，葡萄糖等可溶性有機(jī)物為碳源，配成混合溶液后對(duì)其進(jìn)行加熱，溶液會(huì)在發(fā)生沸騰、濃縮、冒煙等一系列反應(yīng)后開(kāi)始發(fā)生氧化還原反應(yīng)，同時(shí)伴隨著大量熱量的產(chǎn)生和大量氣體的放出，全部燃燒過(guò)程在幾分鐘內(nèi)完成，得到了一種極為疏松的泡沫狀氧化鋁和碳均勻混合的前驅(qū)物粉體（如圖所示），最終經(jīng)碳熱還原反應(yīng)獲得納米AlN粉末。

(3)絡(luò)合物分解法，絡(luò)合物分解法通常是先配置溶液形成含鋁絡(luò)合物，將溶液干燥后得到絡(luò)合物晶體，再將該絡(luò)合物在保護(hù)氣氛中高溫分解形成尿素和低熔點(diǎn)鋁鹽，隨后尿素繼續(xù)分解形成氨氣，氨氣與升華的鋁鹽氣相反應(yīng)得到AlN納米顆粒。

2、化學(xué)氣相合成法

該方法通常選用熔點(diǎn)低，易揮發(fā)的含鋁化合物在氮?dú)饣虬睔獾膸?dòng)下進(jìn)入高溫反應(yīng)室進(jìn)行氮化，AlN在氣相中形核并沉積在顆?；厥杖萜鲀?nèi)。

3、高能物理輔助法

該方法是利用等離子體、爆炸等方式產(chǎn)生的高能量使AlN顆粒破碎分散，制備納米級(jí)的AlN粉末。

4、機(jī)械化學(xué)法

該方法是通過(guò)球磨的方式將原料中的氮元素固溶進(jìn)金屬鋁晶格中，形成AlN粉末的過(guò)程，其中氮源可以選用氮?dú)?，但其活性較低，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的球磨，故通常選用氨氣等高活性氣態(tài)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。

總 結(jié)

現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)高導(dǎo)熱AlN陶瓷的關(guān)鍵技術(shù)水平和國(guó)外相比還有很大差距，AlN粉末是制備AlN陶瓷的主要原料，它的性質(zhì)（如純度、粒度、氧含量及其他雜質(zhì)含量）對(duì)后續(xù)制備AlN陶瓷的性能具有決定性影響。因此，制粉工藝及粉末質(zhì)量已成為AlN陶瓷制備的重要環(huán)節(jié)。工業(yè)上使用的直接氮化法、自蔓延高溫合成法和碳熱還原法在各自粉末制備過(guò)程中仍存在不足，直接氮化法的轉(zhuǎn)化率及雜質(zhì)含量雖已得到良好的控制，但粉末形貌的不規(guī)則仍可對(duì)后續(xù)工藝產(chǎn)生不利影響，對(duì)顆粒尺寸及形狀的有效控制需進(jìn)一步研究；自蔓延高溫合成法具有更快的速度，更加劇烈的反應(yīng)過(guò)程，但對(duì)燃燒過(guò)程的理論研究及過(guò)程控制仍需進(jìn)一步探討；在碳熱還原法中，雖有方式獲得高活性反應(yīng)物以降低能耗，但添加了額外的工藝流程及設(shè)備，如何在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮短工藝流程適應(yīng)生產(chǎn)是目前的研究方向。

同時(shí)，納米AlN粉末的發(fā)展將充分發(fā)揮小尺寸顆粒高比表面能的優(yōu)勢(shì)，提高燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，減少燒結(jié)助劑的添加，可使制備得到AlN陶瓷具有高導(dǎo)熱的同時(shí)具有更加細(xì)小的晶粒組織，這將進(jìn)一步提高AlN陶瓷的綜合性能。制備納米AlN粉末的方法眾多且各具特色，各方法對(duì)粉末的形貌、物相組成、粒度大小等也進(jìn)行了詳細(xì)表征，但不同方法獲得粉末的燒結(jié)性能及燒結(jié)后陶瓷的綜合性能報(bào)道較少，納米晶粒與陶瓷性能間的關(guān)系也有待進(jìn)一步討論。

       文章來(lái)源：氮化鋁粉末制備方法及研究進(jìn)程 張智睿，秦明禮，吳昊陽(yáng)，劉昶，賈寶瑞，曲選輝 北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院