CN103359695A - 一种高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法，该方法以铝粉为原料进行微波合成。将D50粒度小于0.5mm的铝粉与一定质量配比的铵盐均匀混合，配合一定尺寸及一定质量配比的锌粒或锌块，先将锌粒或锌块（3）放在氮化硅陶瓷匣钵（1）的底部，然后将铝粉与铵盐的混合物（2）覆盖在锌粒或锌块（3）上面，将装好料的氮化硅陶瓷匣钵置入微波合成反应腔体内，常压下通入含氮气气氛进行微波合成，升温速率为10～100℃/min，合成温度600～1200℃，保温0～5小时，所得合成物冷却后即为高质量成品氮化铝粉末。本发明与传统的通过对流、传导或辐射加热的方式不同，它是利用微波具有的特殊波段与材料的基本结构耦合产生热量，材料的介质损耗使其以材料整体加热的方式加热，具有合成温度低、时间短、能耗低、质量好、效率高、不需要后续处理等优势。

Description

一种高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法

技术领域

本发明涉及一种无机非金属材料氮化铝粉末的制备方法，特别是涉及一种高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法。

背景技术

氮化铝的烧结体是一种新型的陶瓷材料，它具有高的热导率、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，不仅被认为是新一代半导体基片和半导体封装的理想材料，在电子工业中的应用日益受到重视，而且又可适用于高温和腐蚀性环境中使用的构件。氮化铝陶瓷已经成为现代新材料领域的研究热点之一。

但是，高质量的氮化铝粉末是决定这些应用的关键性因素，目前的传统方法难以合成出高纯度、细粒度、粒度分布窄、性能稳定的氮化铝粉末，极大的限制了氮化铝材料的应用。

目前，传统的氮化铝粉末制备方法主要有以下五种：

1、金属铝粉末在氮气或氨气中加热直接氮化的方法。直接氮化法工艺简单，反应温度一般在800～1200℃，反应方程式如下所示：

2Al+N₂=2AlN

该方法工艺简单，能在较低的温度下进行合成，适合于工业上批量生产的要求。但是，该方法也存在着明显的缺点。首先，金属铝在933K时开始溶化，在1073K开始与氮气进行反应，因此铝粉在合成温度时易溶化，使氮气扩散困难，难以和铝粉充分反应。随着反应的进一步进行，铝粉颗粒表面氮化后形成的氮化铝层也会阻碍氮气向颗粒中心的扩散。以上两点原因造成铝粉转化率低、产生团聚、产品质量差，反应过程也难以控制。因此，为了提高转化率，需要延长氮化时间。其次，生成的氮化铝粉末容易自烧结，形成团聚，需要将生成的氮化铝粉末球磨至10μm以下，这样就延长了工艺周期，提高了生产成本，而且球磨粉碎过程中易带入杂质，影响氮化铝粉末的纯度。因此传统直接氮化法制备的粉末颗粒不均匀、粒径较粗、纯度不高且生产成本较高，无法满足制备高性能氮化铝陶瓷对粉末的要求。

2、氧化铝粉末和碳粉的混合物或铝盐和有机碳源的前驱物在氮气或氨气中加热反应的方法。该方法的主要原理是利用碳在1400～1800℃还原氧化铝，被还原出的铝与氮气反应生产氮化铝。

该方法可以通过控制铝源和碳源的质量以及混合均匀程度合成细粒度且粒度分布均匀的氮化铝粉末，但为了完全将氧化铝转化成氮化铝，需要加入过量的碳，反应完成之后必须于600～900℃的干燥空气中保温数小时甚至数十小时进行脱碳处理，增加了大量的生产成本。而且由于铝源与碳源极性和比重的差异，原料很难混合均匀或混合过程过于繁琐；由于铝源的反应活性较差，通常需在高温下（通常高于1500℃）长时间（通常大于3h）才能完成合成反应，这样既增加了产品的成本又促进了颗粒的长大，由于反应温度高，使碳、氧原子作为固溶物质进入氮化铝晶格造成氮含量的下降。因此原料难于混合均匀、合成温度高、合成时间长、含碳量高、耗能高、工艺稳定性差等是制约此方法生产应用的主要障碍。

3、自蔓延高温合成的方法。具体方法是将金属铝粉在高压氮气中被外界热源点燃后，金属铝和氮气之间的高化学反应热使反应自维持下去，直到铝粉完全转化成为氮化铝。自蔓延高温合成与铝粉直接氮化一样，由于金属铝的熔点低，在燃烧合成反应的高温下，熔融的金属铝易发生团聚，阻碍氮气向粉末内部渗透，使得铝粉难以氮化完全。由于反应速度极快，反应产物极易结块，难以一次性获得均匀、分散的疏松粉末，一般要进行球磨加工来获得需要的粒径分布，这样就不可避免的要带入杂质，降低粉末纯度。因此，尽管自蔓延高温合成法具有生产过程简单、反应速度快、能耗低、合成产物活性大的优点，但是存在自发反应堆难以控制等缺点，需要进一步深入研究工艺参数对反应的影响以及其合成机理。

4、化学气相沉积的方法。该方法是基于铝的挥发性化合物与氨气或氮气的化学反应从气相中沉积氮化铝的方法。该方法具有生成产物纯度高、粒度细且分布范围小的优点，但是原料成本高，产量小，反应不易控制等缺点，难以在工业实际中应用。

5、等离子体化学合成的方法。该方法使用直流电弧等离子发生器或高频等离子发生器，将铝粉输送到等离子火焰区内，在温度高达1万多度的火焰高温区内，粉末立即溶化挥发，与氮离子迅速化合成为氮化铝。该方法的主要优点是合成产物粒度细、比表面积大，具有良好的烧结活性。但存在的主要缺点是效率低、设备复杂、反应不完全，难以生产应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能有效的控制反应过程，防止铝粉形成融块，加快反应过程中氮气的扩散速度，在较低的温度、较短的时间内，在常压下合成高质量氮化铝粉末，并尽可能的减少反应产物的粉碎处理时间的高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法，将铝粉与铵盐以质量配比100:1～10均匀混合，配合以长宽高或直径尺寸范围为0.01～5mm、质量配比为铝粉:锌为100:1～10的锌粒或锌块，先将锌粒或锌块放在氮化硅陶瓷匣钵的底部，然后将铝粉与铵盐的混合物覆盖在锌粒或锌块上面，将装好料的氮化硅陶瓷匣钵置入微波合成反应腔体内，常压下通入含氮气气氛进行微波合成，所述微波合成的温度为600～1200℃，升温速率为10～100℃/min，保温时间为0～5小时。

所述的铝粉的D50粒度小于0.5mm，纯度>99.9%。

所述的铵盐为易分解出氨气的分析纯盐类化合物。

所述的锌粒或锌块的纯度>99.9%。

所述的含氮气气氛为氮气或氮气加氢气的混合气体，压力为常压。

所述的微波反应装置为间歇式工业微波炉或连续式工业微波炉。

采用上述技术方案的高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法，其工作原理及有益效果是：利用微波能转化为分子的动能和热能，以一种“体加热的方式”整体均匀加热至一定温度，通以含氮气气氛，加快反应过程中氮气的扩散速度，保温一定时间，实现合成，具有合成温度低、时间短、能耗低、质量好、效率高的优势，比传统方法省电30～70％，大大降低了生产成本，而且工业微波炉结构简单，自动化运行，易于维护；利用铵盐与锌的有序挥发，防止铝粉形成融块，加快反应过程中氮气的扩散速度，在较低的温度、较短的时间内，在常压下合成高质量氮化铝粉末，反应产品粉末疏松无结块，分散程度高，不需要进行后续处理，具有升温速度快，合成温度低，保温时间短，氮含量高，节约能源，生产效率高的特点，适合大规模生产。

综上所述，本发明是一种能有效的控制反应过程，防止铝粉形成融块，加快反应过程中氮气的扩散速度，在较低的温度、较短的时间内，在常压下合成高质量氮化铝粉末，并尽可能的减少反应产物的粉碎处理时间的高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法。

附图说明

图1是本发明的装料示意图。

图2是实施例1中制得氮化铝成品做XRD分析相结构为AlN图。

图3是实施例2中制得氮化铝成品做XRD分析相结构为AlN图。

具体实施方式

参见图1，将D50粒度小于0.5mm、纯度>99.9%的铝粉与铵盐以质量配比100:1～10均匀混合，配合以长宽高或直径尺寸范围为0.01～5mm、质量配比为铝粉:锌为100:1～10的锌粒或锌块，先将锌粒或锌块3放在氮化硅陶瓷匣钵1的底部，然后将铝粉与铵盐的混合物2覆盖在锌粒或锌块3上面，将装好料的氮化硅陶瓷匣钵置入微波合成反应腔体内，常压下通入含氮气气氛进行微波合成，铵盐为易分解出氨气的分析纯盐类化合物，锌粒或锌块的纯度>99.9%，含氮气气氛为氮气或氮气加氢气的混合气体，压力为常压，微波反应装置为间歇式工业微波炉或连续式工业微波炉，微波合成的温度为600～1200℃，升温速率为10～100℃/min，保温时间为0～5小时，所得合成物冷却后即为高质量成品氮化铝粉末。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

采用D50粒度50.4μm的铝粉作为原料，将100g铝粉与3g氟化铵均匀混合后，与3g直径1mm的锌粒按图1所示位置先后放入氮化硅陶瓷匣钵1内。将氮化硅陶瓷匣钵1置于间歇式工业微波炉内进行微波合成，通入高纯氮气，压力为常压，升温速率为80℃/min，合成温度1050℃，保温0.5小时，所得合成物冷却后即为成品氮化铝粉末。粉末颜色呈灰白色。经测定，制得氮化铝成品含氮33.4％，做XRD分析相结构为AlN，如图2所示。

实施例2：

采用D50粒度0.1mm的铝粉作为原料，将500g铝粉与25g碳酸氢铵混合后，与25g长×宽×高为2mm×0.5mm×0.5mm的锌块按图1所示位置先后放入氮化硅陶瓷匣钵1内。将氮化硅陶瓷匣钵1置于连续式工业微波炉内进行微波合成，通入含5%氢气的氮氢混合气，压力为常压，升温速率为70℃/min，合成温度1000℃，保温1.5小时，所得合成物冷却后即为成品氮化铝粉末。粉末颜色呈灰白色。经测定，制得氮化铝成品含氮32.5％，做XRD分析相结构为AlN，如图3所示。

实施例3：

采用D50粒度20μm的铝粉作为原料，将100g铝粉与4g氯化铵均匀混合后，与2g直径2mm的锌粒按图1所示位置先后放入氮化硅陶瓷匣钵1内。将氮化硅陶瓷匣钵1置于间歇式工业微波炉内进行微波合成，通入高纯氮气，压力为常压，升温速率为90℃/min，合成温度1025℃，保温1小时，所得合成物冷却后即为成品氮化铝粉末。粉末颜色呈灰白色。经测定，制得氮化铝成品含氮33.2％，做XRD分析相结构为AlN。

实施例4：

采用D50粒度0.2mm的铝粉作为原料，将500g铝粉与30g草酸氢铵混合后，与15g长×宽×高为3mm×1mm×1mm的锌块按图1所示位置先后放入氮化硅陶瓷匣钵1内。将氮化硅陶瓷匣钵1置于连续式工业微波炉的内进行微波合成，通入含5%氢气的氮氢混合气，压力为常压，升温速率为60℃/min，合成温度1025℃，保温1小时，所得合成物冷却后即为成品氮化铝粉末。粉末颜色呈灰白色。经测定，制得氮化铝成品含氮32.8％，做XRD分析相结构为AlN。

实施例5：

采用D50粒度80μm的铝粉作为原料，将100g铝粉与2g草酸铵均匀混合后，与5g直径3mm的锌粒按图1所示位置先后放入氮化硅陶瓷匣钵1内。将氮化硅陶瓷匣钵1置于间歇式工业微波炉内进行微波合成，通入高纯氮气，压力为常压，升温速率为40℃/min，合成温度950℃，保温3小时，所得合成物冷却后即为成品氮化铝粉末。粉末颜色呈灰白色。经测定，制得氮化铝成品含氮33.0％，做XRD分析相结构为AlN。

实施例6：

采用D50粒度0.3mm的铝粉作为原料，将500g铝粉与40g碳酸铵混合后，与30g长×宽×高为4mm×0.5mm×0.5mm的锌块按图1所示位置先后放入氮化硅陶瓷匣钵1内。将氮化硅陶瓷匣钵1置于连续式工业微波炉内进行微波合成，通入含5%氢气的氮氢混合气，压力为常压，升温速率为50℃/min，合成温度1100℃，保温2小时，所得合成物冷却后即为成品氮化铝粉末。粉末颜色呈灰白色。经测定，制得氮化铝成品含氮33.5％，做XRD分析相结构为AlN。

实施例7：

采用D50粒度80μm的铝粉作为原料，将100g铝粉与1g草酸铵均匀混合后，与1g直径0.01mm的锌粒按图1所示位置先后放入氮化硅陶瓷匣钵1内。将氮化硅陶瓷匣钵1置于间歇式工业微波炉内进行微波合成，通入高纯氮气，压力为常压，升温速率为10℃/min，合成温度600℃，保温5小时，所得合成物冷却后即为成品氮化铝粉末。粉末颜色呈灰白色。经测定，制得氮化铝成品含氮33.0％，做XRD分析相结构为AlN。

实施例8：

采用D50粒度0.3mm的铝粉作为原料，将500g铝粉与50g碳酸铵混合后，与50g长×宽×高为5mm×0.5mm×0.5mm的锌块按图1所示位置先后放入氮化硅陶瓷匣钵1内。将氮化硅陶瓷匣钵1置于连续式工业微波炉内进行微波合成，通入含5%氢气的氮氢混合气，压力为常压，升温速率为100℃/min，合成温度1200℃，保温0小时，所得合成物冷却后即为成品氮化铝粉末。粉末颜色呈灰白色。经测定，制得氮化铝成品含氮33.5％，做XRD分析相结构为AlN。

Claims (6)

1.一种高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法，其特征是：将铝粉与铵盐以质量配比100:1～10均匀混合，配合以长宽高或直径尺寸范围为0.01～5mm、质量配比为铝粉:锌为100:1～10的锌粒或锌块，先将锌粒或锌块（3）放在氮化硅陶瓷匣钵（1）的底部，然后将铝粉与铵盐的混合物（2）覆盖在锌粒或锌块（3）上面，将装好料的氮化硅陶瓷匣钵置入微波合成反应腔体内，常压下通入含氮气气氛进行微波合成，所述微波合成的温度为600～1200℃，升温速率为10～100℃/min，保温时间为0～5小时。

2.根据权利要求1所述的高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法，其特征是：所述的铝粉的D50粒度小于0.5mm，纯度>99.9%。

3.根据权利要求1或2所述的高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法，其特征是：所述的铵盐为易分解出氨气的分析纯盐类化合物。

4.根据权利要求1或2所述的高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法，其特征是：所述的锌粒或锌块的纯度>99.9%。

5.根据权利要求1或2所述的高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法，其特征是：所述的含氮气气氛为氮气或氮气加氢气的混合气体，压力为常压。

6.根据权利要求1或2所述的高质量氮化铝粉末的微波快速合成方法，其特征是：所述的微波反应装置为间歇式工业微波炉或连续式工业微波炉。

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