CN101428771A - 一种微波碳热还原降温催化煅烧制备AlN粉末的方法 - Google Patents
一种微波碳热还原降温催化煅烧制备AlN粉末的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种微波碳热还原降温低温催化煅烧制备AlN粉末的方法，包括下述步骤：(1)将氢氧化铝与氯化铵混合，湿磨，抽滤并烘干，得到氯化铵与氢氧化铝的混合物；(2)将步骤(1)所得产物与乙炔黑混合配料，添加铝粉，湿磨、干燥，得到碳铝混合均匀的前驱体粉末；(3)将步骤(2)所得前驱体放入高温烧结炉中，通入氮气，进行微波碳热还原氮化反应；(4)将步骤(3)所得产物在干燥空气中煅烧，得到氮化铝粉末。本发明工艺方法简单、合成温度低、原料成本低，设备简单，工艺流程短且操作简便，产物纯度高，环境友好，适用于精密陶瓷、电子、航空航天等领域，可实现大规模工业化生产，具有良好的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及氮化铝粉体的降温催化煅烧制备方法，特别是指一种微波碳热还原降温低温催化煅烧制备AlN粉末的方法。
背景技术
AlN是一种具有六方纤锌矿结构的共价化合物，密度为3.26g/cm3，在常压下分解温度为2480℃。作为高性能陶瓷，氮化铝陶瓷具有高的热导率、高的机械强度、低的热膨胀系数、低的介电常数和介电损耗、无毒、绝缘等一系列优良特性，故被视为新一代理想的半导体散热基片和电子器件封装材料，广泛应用于电子工业中并日益受到重视。
要获得性能优良的AlN陶瓷，首要条件是制备性能优良的AlN粉末。制备AlN粉末的方法很多，研究最多的有下列5种：铝粉直接氮化法、氧化铝碳热还原法、高温自蔓延法、等离子合成法和气溶胶法。其中，高温自蔓延法反应难以控制，等离子合成法设备复杂，气溶胶法产率低，铝粉直接氮化法和氧化铝碳热还原法设备简单、工艺成熟、粉末质量较好，已用于工业化生产氮化铝粉末。目前国际上供应的氮化铝粉末，70％用氧化铝碳热还原法生产，已成为最主要的工业化生产方法。因为这种方法不仅具有原料来源广、成本低(可以用比Al2O3成本更低的铝土矿作原料)、工艺过程简单等优点，而且合成的粉末在纯度、粒度、稳定性和烧结性能等方面占较大的优势。但是，这种方法也存在一些不足，比如反应温度高(通常高于1600℃)、合成时间长(通常大于3h)等缺点。所以一直以来，如何降低碳热还原法的反应温度、缩短合成时间成为优化碳热还原反应的重点。
专利CN 1631772A公开了一种无硬团聚、反应温度较低的碳热还原法制备氮化铝粉末的方法，其合成温度为1500℃，合成时间为6h。专利CN 1435371A公开了一种低温碳热还原法制备氮化铝粉末的方法，其合成温度是1400-1500℃之间，合成时间为3h。
“氮化工艺对微波碳热还原法合成AlN粉末的影响”的文章(硅酸盐通报，2006，25(4)：36-40)提供了一种AlN粉末的制备方法，其方法为氧化铝碳热还原法，以粒度细小的高纯γ-Al2O3和高纯碳黑为原料，加入反应助剂CaCO3，湿磨制得前驱物，然后利用微波设备在合成温度为1420℃，合成时间为2h的条件下获得了完全氮化的AlN粉末。该工艺原料成本较高，合成温度较高，时间较长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作方便、合成温度低、工艺流程短，成本较低，环境友好的微波碳热还原降温低温催化煅烧制备AlN粉末的方法。
本发明---一种微波碳热还原降温低温催化煅烧制备AlN粉末的方法，包括下述步骤：
(1)将工业级氢氧化铝与氯化铵混合，氯化铵为氢氧化铝质量的3-15％，湿磨，沸腾洗涤至少3次，抽滤并烘干，得到氯化铵与氢氧化铝的混合物；
(2)将步骤(1)所得产物与乙炔黑按质量比为1.3-4.3的比例混合配料，添加铝粉，铝粉加入量为氯化铵与氢氧化铝的混合物和乙炔黑混合质量的2-20％，湿磨、干燥，得到了粒度细小、碳铝混合均匀的前驱体粉末；
(3)将步骤(2)所得前驱体放入高温烧结炉中，通入氮气，按15-35℃/min的速度升温至1200-1500℃，保温时间为0.5-2.5h，进行微波碳热还原氮化反应；
(4)将步骤(3)所得还原氮化反应产物在干燥空气中升温至600-700℃的温度范围内煅烧1-6h，得到了氮化铝粉末。
本发明---一种微波碳热还原降温低温催化煅烧制备AlN粉末的方法，包括下述步骤：
(1)将工业级氢氧化铝与氯化铵混合，氯化铵为氢氧化铝质量的6-12％，湿磨，沸腾洗涤至少3次，抽滤并烘干，得到氯化铵与氢氧化铝的混合物；
(2)将步骤(1)所得产物与乙炔黑按质量比为2.0-3.6的比例混合配料，添加铝粉，铝粉加入量为氯化铵与氢氧化铝的混合物和乙炔黑混合质量的7-15％，湿磨、干燥，得到了粒度细小、碳铝混合均匀的前驱体粉末；
(3)将步骤(2)所得前驱体放入高温烧结炉中，通入氮气，按20-30℃/min的速度升温至1300-1400℃，保温时间为1.0-2.0h，进行微波碳热还原氮化反应；
(4)将步骤(3)所得还原氮化反应产物在干燥空气中升温至600-700℃的温度范围内煅烧2.5-4.5h，得到了氮化铝粉末。
本发明---一种微波碳热还原降温低温催化煅烧制备AlN粉末的方法，包括下述步骤：
(1)将工业级氢氧化铝与氯化铵混合，氯化铵为氢氧化铝质量的9％，湿磨，沸腾洗涤至少3次，抽滤并烘干，得到氯化铵与氢氧化铝的混合物；
(2)将步骤(1)所得产物与乙炔黑按质量比为2.8的比例混合配料，添加铝粉，铝粉加入量为氯化铵与氢氧化铝的混合物和乙炔黑混合质量的11％，湿磨、干燥，得到了粒度细小、碳铝混合均匀的前驱体粉末；
(3)将步骤(2)所得前驱体放入高温烧结炉中，通入氮气，按25℃/min的速度升温至1350℃，保温时间为1.5h，进行微波碳热还原氮化反应；
(4)将步骤(3)所得还原氮化反应产物在干燥空气中升温至600-700℃的温度范围内煅烧3.5h，得到了氮化铝粉末。
本发明中，所述的高温烧结炉是微波高温烧结炉。
本发明中，所述湿磨工序是采用湿式球磨机。
本发明由于采用上述工艺方法，具有以下突出的优点：
1.将工业氢氧化铝预处理，降低钠含量，可使氢氧化铝的中间相变产物γ-Al2O3具有更好的活性，有利于使还原氮化反应的开始温度降低，从而降低合成温度。
2.采用处理后的氢氧化铝和工业乙炔黑为原料，通过湿法球磨制备了颗粒细小、碳铝混合均匀的前驱体粉末，为后续的还原氮化反应提供足够的反应接触面积，缩短反应时间。
3.采用一定量的铝粉为添加剂，高温时金属铝与氮气反应放出大量的热量，及时补充氧化铝碳热还原所需要的热量，前驱体温度立刻上升，甚至达到合成温度，使氮化反应提早进行；另一方面，铝与氮气反应生成的氮化铝正好作为晶种，有利于晶粒细化，降低反应温度。此外，添加铝粉对产物无污染。
4.将前驱体放入微波高温烧结炉中，迅速升温至合成温度，在普通氮气气氛中1300℃下反应1h，获得了完全氮化的氮化铝粉末。
综上所述，本发明工艺方法简单、合成温度低、原料成本低，设备简单，工艺流程短且操作简便，产物纯度高，环境友好，适用于精密陶瓷、电子、航空航天等领域，可实现大规模工业化生产，具有良好的市场前景。
附图说明
附图为采用本发明工艺方法制备的氮化铝粉体的XRD图谱。
图中：
(A)为本发明实施例1所得产物氮化铝粉体的XRD图谱。
(B)为本发明实施例2所得产物氮化铝粉体的XRD图谱。
(C)为本发明实施例3所得产物氮化铝粉体的XRD图谱。
实施例1
首先取100g工业氢氧化铝与3g氯化铵混合，加入去离子水50ml，湿法球磨30min，球磨转速为300r/min。球磨后，沸腾洗涤，同时边搅拌，沸腾时间为30min，抽滤，再如上沸腾洗涤三次，抽滤，干燥，得到处理后的氯化铵与氢氧化铝的混合物。再取100g处理后的氯化铵与氢氧化铝的混合物和77g乙炔黑混合，添加3.5g铝粉，以无水乙醇为介质一起球磨5h，转速为300r/min。球磨后干燥，得到粒度细小、碳铝混合均匀的前驱体粉末。然后将前驱体放入微波高温烧结炉中，设定温度制度，在普通氮气气氛下以15℃/min的速度升温至1200℃，保温1h。最后在干燥空气中，将还原氮化反应产物在600℃的温度下煅烧1h脱碳，得到产物为灰色的粉末(其XRD图见图1(A))，经分析表明，产物为结晶非常完全的AlN。
实施例2
首先取100g工业氢氧化铝与9g氯化铵混合，加入去离子水50ml，湿法球磨30min，球磨转速为300r/min。球磨后，沸腾洗涤，同时边搅拌，沸腾时间为30min，搅拌速度为300r/min，抽滤。再如上沸腾洗涤三次，抽滤，干燥，得到处理后的氯化铵与氢氧化铝的混合物。再取100g处理后的氯化铵与氢氧化铝的混合物和28g乙炔黑混合，添加15g铝粉，以无水乙醇为介质一起球磨5h，转速为300r/min。球磨后干燥，得到粒度细小、碳铝混合均匀的前驱体粉末。然后将前驱体放入微波高温烧结炉中，设定温度制度，在普通氮气气氛下以25℃/min的速度升温至1350℃，保温1h。最后在干燥空气中，将还原氮化反应产物在650℃的温度下煅烧3h脱碳，得到产物为灰色的粉末(其XRD图见图1(B))，经分析表明，产物为结晶非常完全的AlN。
实施例3
首先取100g工业氢氧化铝与15g氯化铵混合，加入去离子水50ml，湿法球磨30min，球磨转速为300r/min。球磨后，沸腾洗涤，同时边搅拌，沸腾时间为30min，搅拌速度为300r/min，抽滤。再如上沸腾洗涤五次，抽滤，干燥，得到处理后的氯化铵与氢氧化铝的混合物。再取100g处理后的氯化铵与氢氧化铝的混合物和23g乙炔黑混合，添加25g铝粉，以无水乙醇为介质一起球磨5h，转速为300r/min。球磨后干燥，得到粒度细小、碳铝混合均匀的前驱体粉末。然后将前驱体放入微波高温烧结炉中，设定温度制度，在普通氮气气氛下以35℃/min的速度升温至1300℃，保温1h。最后在干燥空气中，将还原氮化反应产物在700℃的温度下煅烧6h脱碳，得到产物为灰色的粉末(其XRD图见图1(C))，经分析表明，产物为结晶非常完全的AlN。
Claims (5)
1、一种微波碳热还原降温低温催化煅烧制备AlN粉末的方法，包括下述步骤：
(1)将工业级氢氧化铝与氯化铵混合，氯化铵为氢氧化铝质量的3-15％，湿磨，沸腾洗涤至少3次，抽滤并烘干，得到氯化铵与氢氧化铝的混合物；
(2)将步骤(1)所得产物与乙炔黑按质量比为1.3-4.3的比例混合配料，添加铝粉，铝粉加入量为氯化铵与氢氧化铝的混合物和乙炔黑混合质量的2-20％，湿磨、干燥，得到了粒度细小、碳铝混合均匀的前驱体粉末；
(3)将步骤(2)所得前驱体放入高温烧结炉中，通入氮气，按15-35℃/min的速度升温至1200-1500℃，保温时间为0.5-2.5h，进行微波碳热还原氮化反应；
(4)将步骤(3)所得还原氮化反应产物在干燥空气中升温至600-700℃的温度范围内煅烧1-6h，得到了氮化铝粉末。
2、根据权利要求1所述的一种微波碳热还原降温低温催化煅烧制备AlN粉末的方法，包括下述步骤：
(1)将工业级氢氧化铝与氯化铵混合，氯化铵为氢氧化铝质量的6-12％，湿磨，沸腾洗涤至少3次，抽滤并烘干，得到氯化铵与氢氧化铝的混合物；
(2)将步骤(1)所得产物与乙炔黑按质量比为2.0-3.6的比例混合配料，添加铝粉，铝粉加入量为氯化铵与氢氧化铝的混合物和乙炔黑混合质量的7-15％，湿磨、干燥，得到了粒度细小、碳铝混合均匀的前驱体粉末；
(3)将步骤(2)所得前驱体放入高温烧结炉中，通入氮气，按20-30℃/min的速度升温至1300-1400℃，保温时间为1.0-2.0h，进行微波碳热还原氮化反应；
(4)将步骤(3)所得还原氮化反应产物在干燥空气中升温至600-700℃的温度范围内煅烧2.5-4.5h，得到了氮化铝粉末。
3、根据权利要求2所述的一种微波碳热还原降温低温催化煅烧制备AlN粉末的方法，包括下述步骤：
(1)将工业级氢氧化铝与氯化铵混合，氯化铵为氢氧化铝质量的9％，湿磨，沸腾洗涤至少3次，抽滤并烘干，得到氯化铵与氢氧化铝的混合物；
(2)将步骤(1)所得产物与乙炔黑按质量比为2.8的比例混合配料，添加铝粉，铝粉加入量为氯化铵与氢氧化铝的混合物和乙炔黑混合质量的11％，湿磨、干燥，得到了粒度细小、碳铝混合均匀的前驱体粉末；
(3)将步骤(2)所得前驱体放入高温烧结炉中，通入氮气，按25℃/min的速度升温至1350℃，保温时间为1.5h，进行微波碳热还原氮化反应；
(4)将步骤(3)所得还原氮化反应产物在干燥空气中升温至600-700℃的温度范围内煅烧3.5h，得到了氮化铝粉末。
4、根据权利要求1、2或3任意一项所述的一种微波碳热还原降温低温催化煅烧制备AlN粉末的方法，其特征在于：所述的高温烧结炉是微波高温烧结炉。
5、根据权利要求1、2或3任意一项所述的一种微波碳热还原降温低温催化煅烧制备AlN粉末的方法，其特征在于：所述湿磨工序是采用湿式球磨机。
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