CN103539088B - 一种氮化铝纳米颗粒的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种氮化铝纳米颗粒的合成方法，该方法首次以九水硝酸铝和三聚氰胺为原料，通过以下两步合成了氮化铝纳米颗粒：第一步，九水硝酸铝和三聚氰胺的混合物溶解在95℃的水中（水浴锅加热），得到澄清溶液，自然降温后抽滤得到白色中间产品。将中间产品在80℃烘干，得到前驱体；第二步，将该合成的前驱体置于氧化铝管式炉中，在氨气气氛下进行高温反应，最终得到氮化铝纳米颗粒产品。该方法简单廉价，产品结晶度和纯度较高。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及一种高比表面积、高结晶度的氮化铝纳米颗粒的简单合成方法。
背景技术
氮化铝是一种新型的功能陶瓷材料，具有良好的热传导性、可靠的电绝缘性、较低的介电损耗和介电常数以及与硅相近的热膨胀系数等优良特性。实验表明，氮化铝多晶材料的热导率可达260W·m-1K-1，单晶材料的热导率高达320W·m-1K-1，因此被广泛应作微电子器件的封装改性材料。氮化铝还被广泛地应用于光电工程领域，包括光学储存接口、电子基质的诱电层、具有高导热的芯片载体和压电器件等。
近年来，人们发现纳米级的氮化铝材料有更多优异的特性，例如：纳米氮化铝的烧结材料具有更好的热导性质，能应用于高耗能器件；超细氮化铝纳米粉体被广泛用作大规模集成电路的基片，被认为是新一代陶瓷基片的理想材料；超细高纯度高结晶的氮化铝纳米粉体经过特殊工艺烧结后可得到透明氮化铝陶瓷体，用于制备特殊光学器件。对于氮化铝陶瓷材料来说，原材料氮化铝粉体的纯度、粒径大小以及分布、颗粒形态等因素会对陶瓷的使用性能产生直接影响。因此，改进氮化铝纳米粉体的制备工艺具有重大意义。目前，氮化铝粉末常见的制备方法有：铝粉直接氮化法、氧化铝粉碳热还原法、自蔓延高温合成法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法和等离子体法等。其中，铝粉直接氮化法和氧化铝碳热还原法已经应用于大规模生产中，而自蔓延高温合成法也被应用于小批量生产中。但是此类方法得到的氮化铝粉末在纯度、结晶度、粒径、分散以及形貌等方面与目前市场上要求的高品质粉体规格相差甚远。目前，高品质氮化铝粉体材料基本上采用等离子体法制备，该方法设备昂贵，技术复杂，相关知识产权为极少数发达国家和公司所垄断。本发明涉及的方法便捷廉价，得到的氮化铝纳米颗粒纯度和结晶度较高，为高品质的氮化铝纳米颗粒的生产提供了新方法。
发明内容
本发明提供了一种在水溶液中合成氮化铝前驱体以及高温处理该前驱体得到氮化铝纳米颗粒的方法。该方法首次以九水硝酸铝和三聚氰胺为原料，通过以下两步途径合成了氮化铝纳米颗粒。第一步，将九水硝酸铝和三聚氰胺的混合物溶解在95℃的水中（水浴加热），得到澄清溶液，该澄清混合溶液自然降温后析出纤维状沉淀，抽滤该混合溶液得到白色前驱体后，80℃烘干，得到干燥的前驱体；第二步，将合成的前驱体置于管式炉中，在氨气气氛下进行高温反应，最终得到氮化铝纳米颗粒产品。该方法简单廉价，产品结晶度和纯度较高。
本发明的技术方案为：
一种氮化铝纳米颗粒的合成方法，包括如下步骤：
（1）将三聚氰胺和九水硝酸铝放入盛有去离子水的反应器中，然后水浴升温至70-97℃，搅拌得到澄清透明溶液；其物料摩尔配比为九水硝酸铝：三聚氰胺＝0.5-6：1，三聚氰胺和九水硝酸铝质量之和为反应物料体系总质量的10～20%；
（2）将步骤（1）中得到的澄清透明溶液，自然降温到室温，然后静置10-20小时，抽滤混合溶液，得到白色中间产品；
（3）在60-200℃烘干步骤（2）中得到的白色中间产品，得到白色纤维质前驱体产品；
（4）将步骤（3）中得到的前驱体在氨气流中高温反应，氨气流量为30-300ml/min，反应温度为900-1300℃，保温时间为1-10h，反应完成后自然冷却至室温，得到白色的氮化铝纳米颗粒产品。
本发明的有益效果是：
1.本发明方法所得到的产物为纯度和结晶度较高的氮化铝产品。经XRD测试，得到的产物是单相的AlN，产品中没有其他杂质相。最终AlN纳米颗粒产品分散均匀，颗粒直径不大于20nm，并且比表面积高达110m2/g。该氮化铝纳米颗粒能用作透明陶瓷的烧结原料和导热介质材料。只有在氨气参与的反应条件下，前驱体才能转变为单相的氮化铝产品，单独的氮气或者氩气保护的高温反应得到的产物是α-Al2O3、AlN和Al5O6N的三相混合物。
2.本发明采用的原料为九水硝酸铝和三聚氰胺，均属于已经工业化生产的普通化工原材料，廉价易得，无毒，降低了产品的成本。
3.本方法合成的的氮化铝纳米颗粒具有分散均匀，纯度和结晶度高的特点。该制备过程简单廉价，能够实现大规模生产，将为氮化铝新型功能陶瓷材料的发展提供便利。
附图说明
下面结合附图和具体实施对本发明进一步说明。
图1为实例1中氮化铝纳米颗粒的XRD谱图。
图2为实例1中氮化铝前驱体的XRD谱图。
图3为实例1中氮化铝前驱体的SEM图片。
图4为实例1中氮化铝纳米颗粒产品的SEM图片。
图5为实例1中氮化铝纳米颗粒的TEM图片，图5(a)为低分辨TEM图片，图5(b)为高分辨TEM图片。
图6为实例1中的氮化铝纳米颗粒产品的氮气吸附-脱附全程回线。
图7为实例23、24得到的产品的XRD谱图。
具体实施方式
实施例1.
（1）将25.2g三聚氰胺和37.5g九水硝酸铝放入盛有500毫升去离子水的大烧杯中，然后将其放入水浴锅中，水浴温度为97℃，不断搅拌，得到澄清透明溶液；
（2）将步骤（1）中经过反应得到的澄清透明溶液，自然降温到室温，然后静置20小时，抽滤溶液，得到白色中间产品；
（3）在60℃烘干步骤（2）中得到的产品，得到白色纤维状前驱体；
（4）将步骤（3）中得到的前驱体在氨气流（氨气流量为300ml/min）、1300℃反应2h，反应完毕后自然冷却至室温，得到白色氮化铝纳米颗粒产品。
说明：
如图1所示为制备的氮化铝产物的XRD图谱（2θ=20-80°）。图中各衍射峰均非常清晰、尖锐，并且所有衍射峰与氮化铝标准卡片的衍射峰一一对应，没有其它杂相的衍射峰出现。这说明产物具有较高的纯度和结晶度。通过本方案合成的前驱体是一种有明确结构的（如图2所示）、纤维状（如图3所示）的晶体材料。在高温和氨气参与的反应过程中，前驱体的纤维形貌被破坏，同时前驱体中的C、H、O元素变成相应的气相化合物随着气流排出反应区，氮化铝晶体颗粒就这这种环境中形成，并且形成颗粒直径不大于20nm，分散性较均匀（如图4和图5）。得到的疏松质氮化铝产品有高达110m2/g的比表面积，这与它的超细纳米颗粒形貌有着直接的关系，如图6所示。同时，该氮化铝纳米颗粒具有高的纯度和结晶度，能用作透明陶瓷的烧结原料和导热介质。
实施例2
将实施例1中步骤（1）三聚氰胺和九水硝酸铝的用量分别改为12.6和112.5g(三聚氰胺和九水硝酸铝的摩尔比例为1:3),其他的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例3
将实施例1中步骤（1）三聚氰胺和九水硝酸铝的用量分别改为12.6和225g(三聚氰胺和九水硝酸铝的摩尔比例分别为1:6),去离子水用量改为1000毫升，其他的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例4、5
将实施例1中步骤（1）去离子水改为260和560毫升，其他的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例6、7
将实施例1中步骤（1）的水浴温度改为70℃和90℃，其他的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例8、9、10、11、12、13、14
将实施例1～7中步骤（2）的静置时间分别改为10小时，其他的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例15、16
将实施例1步骤（3）中的烘干温度分别改为100和200℃,其他的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例17、18
将实施例1中步骤（4）的氨气流量分别改为50和200ml/min，其他的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例19、20、21、22
将实施例1中步骤（4）的热处理温度分别改为900℃、1000℃、1100℃和1200℃，其他的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例23、24
将实施例1中步骤（4）的氨气分别改为氮气和氩气，其他的各项操作均与实施例1相同，得到产品是α-Al2O3、AlN和Al5O6N三相的混合物。
如图7所示的XRD结果，实例23和24得到的产品的XRD结果与此相同。
Claims (1)
1.一种氮化铝纳米颗粒的合成方法，其特征为包括如下步骤：
(1)将三聚氰胺和九水硝酸铝放入盛有去离子水的反应器中，然后水浴升温至70-97℃，搅拌得到澄清透明溶液；其物料摩尔配比为九水硝酸铝：三聚氰胺＝0.5：1，三聚氰胺和九水硝酸铝质量之和为反应物料体系总质量的10％-20％；
(2)将步骤(1)中得到的澄清透明溶液，自然降温到室温，然后静置10-20小时，抽滤混合溶液，得到白色中间产品；
(3)在60-200℃烘干步骤(2)中得到的白色中间产品，得到白色纤维状前驱体产品；
(4)将步骤(3)中得到的前驱体在氨气流中高温反应，氨气流量为30-300ml/min，反应温度为900-1300℃，保温时间为1-10h，反应完成后自然冷却至室温，得到白色的氮化铝纳米颗粒产品。
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Granted publication date: 20151007 |
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