CN103588182B - 一种球形氮化铝粉体的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种球形氮化铝粉体的制备方法，步骤如下：1、将铝粉、氮化铝粉和氯化铵粉混合，将混合物放入研钵中研磨，铝粉采用粒径选择范围为0.5～3μm的球形铝粉；氮化铝粉采用与原料铝粉粒径相同的球形铝粉作为铝源，进行原位氮化获得；2、将研磨均匀的粉体装入带有石墨碳毡外保温层和内保护层的多孔石墨坩埚中，在反应装置中反应；3、给石墨纸带通电，将粉末从底部引燃，发生燃烧反应；4、待自然冷却后，释放反应室中的氮气，打开反应装置，多孔石墨坩埚中所获得的灰白色粉体即为球形氮化铝粉末；5、球形氮化铝粉体的粒径可通过球形铝粉的粒径控制；本发明具有能耗低、工艺简单、成本低的特点，制备的球形氮化铝粉体均匀性好、粒径可控。

Description

一种球形氮化铝粉体的制备方法

技术领域

本发明属于半导体功能材料制备的技术领域，具体涉及一种球形氮化铝粉体的制备方法。

背景技术

氮化铝（AlN）作为一种重要的III族宽带隙半导体材料，具有高热导率、高绝缘系数、低介电常数、与硅匹配的热膨胀系数、优良的力学性能及化学稳定性等一系列优良特性。因此氮化铝可以用来制作先进陶瓷部件、散热部件、电子陶瓷基板及电子元件封装材料等。在制备上述材料/部件的过程中，粒径为数微米到数十微米的球形氮化铝粉体原料拥有诸多优势。例如，球形氮化铝粉料可提高生坯密度，进而提高块体材料的强度、致密度及热导率等；另外，添加球形氮化铝粉料的浆料具有良好的流动性和高的固相填充率，对于流延法制备高导热氮化铝基板材料至关重要。

目前已公开的制备球形氮化铝粉体的专利都有一定局限性。渡边一孝等人的发明专利“球形氮化铝粉末的制造方法及通过该方法获得的球形氮化铝粉末”（申请号：201180005141.7），使用氧化铝粉末或氧化铝水合物粉末的球形造粒物作为起始原料，通过碳热还原氮化工艺制备球形氮化铝粉体；而陈克新等人的发明专利“一种低氧含量球形氮化铝粉体的制备方法”（专利号：ZL200910080648.3），通过在氮化铝粉体中加入球化除氧辅料，并通过复杂的高温液相辅助修整工艺获得球形氮化铝粉体。可见，上述方法存在诸如高温高能耗、工艺复杂、生产周期长、原料成本高、环境不友好等弊端，严重限制了球形氮化铝粉体的使用。

燃烧合成法，又称自蔓延高温合成法，是一种目前已广泛应用的制备氮化物粉末的方法。该方法利用反应物之间的反应热使燃烧反应自行维持，从而获得最终产物。该方法具有工艺简单、低成本、能耗低、周期短等优点。因此，从技术上来讲，燃烧合成方法是一种非常具有产业化前景的合成氮化铝粉体的方法。然而，目前已公开的燃烧合成制备氮化铝粉体的专利都有一定局限性，基本都是为解决燃烧反应中铝粉氮化率低导致的产物纯度不高的问题。例如，陈克新等人的发明专利“一种燃烧合成制备高性能氮化铝粉末的方法”（专利号：ZL01129219.9），通过对铝粉原料进行酸洗预处理，然后混入铵盐和固态氮化剂进行20～30小时的长时间湿球磨，烘干后在1～4.5MPa的氮气压力下进行燃烧合成，最终获得纯度较高的氮化铝粉末。韩欢庆等人的发明专利“自蔓延高温合成高纯超细氮化铝粉末的制备方法”（专利号：ZL98100685.X），利用中空玻璃管在物料中打出等间距通孔的特殊装料方式，以改善氮气的渗透性，进而提高铝粉原料的氮化率来获得高纯度的氮化铝粉末。李江涛等人的发明专利“燃烧合成超细氮化铝粉末的方法”（专利号：ZL200710064722.3），首先通过对铝粉及添加剂原料进行高能球磨处理，随后将原料放入特殊结构的反应料舟中，在1.0～5.0MPa的气压下进行燃烧合成，得到均匀、无夹心的氮化铝产物。可见，上述方法虽然解决了燃烧反应中因铝粉氮化率低而导致的产物纯度不高的问题，但因燃烧温度过高、反应速度过快以及燃烧过程中芯部和外部热梯度过大等现象所导致的氮化铝粉末产物形貌均一性差、难以控制的问题仍然没有得到有效解决，更不用说采用燃烧合成法制备均匀球形氮化铝粉体了。这严重影响了氮化铝在半导体材料方面的应用。

本发明的目的在于克服已有技术中工序繁多、生产周期长、产品均匀性差、成本高等缺点，提供一种在适当压力下、操作简便、生产周期短、产品均匀性好的燃烧合成均匀球形氮化铝粉体的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明提出一种球形氮化铝粉体的制备方法，具有能耗低、工艺简单、成本低的特点，制备的球形氮化铝粉体均匀性好、粒径可控。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种球形氮化铝粉体的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将铝粉、氮化铝粉和氯化铵粉混合，将混合物放入研钵中研磨；所述铝粉、氮化铝粉和氯化铵粉占混合物的质量百分比如下：铝粉24.8～49.8%，氮化铝粉49.8～74.8%，氯化铵粉0.01～0.4%；所述铝粉采用粒径选择范围为0.5～3μm的球形铝粉；所述氮化铝粉采用与所述原料铝粉粒径相同的球形铝粉作为铝源，进行原位氮化获得；

步骤2：将研磨均匀的粉体装入带有厚石墨碳毡外保温层和薄石墨碳毡内保护层的多孔石墨坩埚中敦实，多孔石墨坩埚底部放置有一条石墨纸带，然后把多孔石墨坩埚放入燃烧合成的反应装置中，将反应室抽真空至气压小于10Pa后，充入纯度为99.99%的氮气，氮气压力控制在0.2～0.9MPa；

步骤3：在电压为20V，电流为60A的条件下给石墨纸带通电20秒，将粉末从底部引燃，发生燃烧反应；

步骤4：待自然冷却后，释放反应室中的氮气，打开反应装置，取出多孔石墨坩埚，多孔石墨坩埚中所获得的灰白色粉体即为球形氮化铝粉体。

所述氮化铝粉的粒径随使用的不同粒径的铝粉原料在0.5～3μm的范围内可调。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1）本发明采用粒径为0.5～3μm的球形铝粉作为铝源，原料成本低廉，使用本发明方法自制与球形铝粉同粒径的球形氮化铝粉作为稀释剂，少量氯化铵作为粉体颗粒分散剂，研磨后在较低的氮气压力下进行燃烧合成，氮气压力低，有利于提高生产安全性、降低设备成本；该方法具有工艺简单，制备时间短、重复性好、成本低、产物产量高、纯度高等优点，由于无催化，无有机添加剂，所以对环境友好，无污染；制备出微米级的球形氮化铝粉体，粒径分布较为均匀、且粒径可控，合成出的球形氮化铝粉体在陶瓷散热部件、电子陶瓷基板及电子元件封装材料等方面具有广泛应用前景。

2）在本发明的制备方法过程中所采用的多孔石墨坩埚为圆柱形容器，内有薄石墨碳毡保护层，外有厚石墨碳毡保温层。内保护层的作用是保护多孔石墨坩埚在燃烧反应中不与粉料发生化学反应，便于取出产物，提高坩埚使用寿命；外保温层的作用是在保证氮气能顺利渗入反应粉末的前提下，防止燃烧反应热较快散失，进而保证反应粉末芯部和外部的温度差尽可能小，这对于燃烧合成制备形貌均匀的球形氮化铝粉体来说至关重要。

附图说明

图1是本发明使用的多孔石墨坩埚及其保温层结构示意图。

图2是球形氮化铝粉体的XRD图。

图3是球形氮化铝粉体的FESEM图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明制备方法采用的多孔石墨坩埚1为圆柱形容器，其内有薄石墨碳毡内保护层4，外包覆有厚石墨碳毡外保温层2，反应粉末5装入其中敦实，并由底部的石墨纸带3引燃。

实施例1：

采用平均粒径为2.5μm的球形铝粉作为铝源，进行原位氮化获得平均粒径为2.5μm的氮化铝粉。

将29.9g铝粉（平均粒径为2.5μm）、氮化铝粉69.9g（平均粒径为2.5μm）、氯化铵粉0.2g混合后，放入研钵中研磨均匀；将研磨后的混合物装入带有厚石墨碳毡外保温层和薄墨碳毡内保护层的多孔石墨坩埚中，将多孔石墨坩埚放入燃烧合成的反应装置中，反应室抽真空至气压小于10Pa后，充入0.7MPa纯度99.99%的高纯氮气；通过石墨纸带由粉末底部引燃，在电压为20V，电流为60A的条件下给石墨纸带通电20秒使燃烧反应发生；反应完成后，待自然冷却后，释放反应室中的氮气，打开反应装置，在多孔石墨坩埚中获得了大量松散的灰白色粉末状产物即为球状氮化铝粉体，其平均粒径为2.5μm。

利用X射线衍射仪（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）对所得产物微观形貌进行表征。图2是产物的XRD图谱，所有谱峰指标化为六方氮化铝相，没有出现任何杂质相的谱峰。图3是产物的FESEM照片，可见产物为球形氮化铝粉体，该球形氮化铝粉体的平均粒径为2.5μm。

实施例2：

采用平均粒径为1.0μm的球形铝粉作为铝源，进行原位氮化获得平均粒径为1.0μm的氮化铝粉。

将24.8g铝粉（平均粒径为1.0μm）、氮化铝粉74.8g（平均粒径为1.0μm）、氯化铵粉0.4g混合后，放入研钵中研磨均匀；将研磨后的混合物装入带有厚石墨碳毡外保温层和薄墨碳毡内保护层的多孔石墨坩埚中，将多孔石墨坩埚放入燃烧合成的反应装置中，反应室抽真空至气压小于10Pa后，充入0.9MPa纯度99.99%的高纯氮气；通过石墨纸带由粉末底部引燃，在电压为20V，电流为60A的条件下给石墨纸带通电20秒使燃烧反应发生；反应完成后，待自然冷却后，释放反应室中的氮气，打开反应装置，在多孔石墨坩埚中获得了大量松散的灰白色粉末状产物即为球状氮化铝粉体，其平均粒径为1.0μm。

实施例3：

采用平均粒径为0.5μm的球形铝粉作为铝源，进行原位氮化获得平均粒径为0.5μm的氮化铝粉。

将49.8g铝粉（平均粒径为0.5μm）、氮化铝粉50.1g（平均粒径为0.5μm）、氯化铵粉0.1g混合后，放入研钵中研磨均匀；将研磨后的混合物装入带有厚石墨碳毡外保温层和薄墨碳毡内保护层的多孔石墨坩埚中，将多孔石墨坩埚放入燃烧合成的反应装置中，反应室抽真空至气压小于10Pa后，充入0.2MPa纯度99.99%的高纯氮气；通过石墨纸带由粉末底部引燃，在电压为20V，电流为60A的条件下给石墨纸带通电20秒使燃烧反应发生；反应完成后，待自然冷却后，释放反应室中的氮气，打开反应装置，在多孔石墨坩埚中获得了大量松散的灰白色粉末状产物即为球状氮化铝粉体，其平均粒径为0.5μm。

实施例4：

采用平均粒径为2.0μm的球形铝粉作为铝源，进行原位氮化获得平均粒径为2.0μm的氮化铝粉。

将39.99g铝粉（平均粒径为2.0μm）、氮化铝粉60.0g（平均粒径为2.0μm）、氯化铵粉0.01g混合后，放入研钵中研磨均匀；将研磨后的混合物装入带有厚石墨碳毡外保温层和薄墨碳毡内保护层的多孔石墨坩埚中，将多孔石墨坩埚放入燃烧合成的反应装置中，反应室抽真空至气压小于10Pa后，充入0.3MPa纯度99.99%的高纯氮气；通过石墨纸带由粉末底部引燃，在电压为20V，电流为60A的条件下给石墨纸带通电20秒使燃烧反应发生；反应完成后，待自然冷却后，释放反应室中的氮气，打开反应装置，在多孔石墨坩埚中获得了大量松散的灰白色粉末状产物即为球状氮化铝粉体，其平均粒径为2.0μm。

实施例5：

采用平均粒径为3.0μm的球形铝粉作为铝源，进行原位氮化获得平均粒径为3.0μm的氮化铝粉。

将35.0g铝粉（平均粒径为3.0μm）、氮化铝粉64.7g（平均粒径为3.0μm）、氯化铵粉0.3g混合后，放入研钵中研磨均匀；将研磨后的混合物装入带有厚石墨碳毡外保温层和薄墨碳毡内保护层的多孔石墨坩埚中，将多孔石墨坩埚放入燃烧合成的反应装置中，反应室抽真空至气压小于10Pa后，充入0.6MPa纯度99.99%的高纯氮气；通过石墨纸带由粉末底部引燃，在电压为20V，电流为60A的条件下给石墨纸带通电20秒钟使燃烧反应发生；反应完成后，待自然冷却后，释放反应室中的氮气，打开反应装置，在多孔石墨坩埚中获得了大量松散的灰白色粉末状产物即为球状氮化铝粉体，其平均粒径为3微米。

实施例6：

采用平均粒径为1.5μm的球形铝粉作为铝源，进行原位氮化获得平均粒径为1.5μm的氮化铝粉。

将50.15g铝粉（平均粒径为1.5μm）、氮化铝粉49.8g（平均粒径为1.5μm）、氯化铵粉0.05g混合后，放入研钵中研磨均匀；将研磨后的混合物装入带有厚石墨碳毡外保温层和薄墨碳毡内保护层的多孔石墨坩埚中，将多孔石墨坩埚放入燃烧合成的反应室中，反应室抽真空至气压小于10Pa后，充入0.4MPa纯度99.99%的高纯氮气；通过石墨纸带由粉末底部引燃，在电压为20V，电流为60A的条件下给石墨纸带通电20秒使燃烧反应发生；反应完成后，待自然冷却后，释放反应室中的氮气，打开反应装置，在多孔石墨坩埚中获得了大量松散的灰白色粉末状产物即为球状氮化铝粉体，其平均粒径为1.5μm。

Claims (2)

1.一种球形氮化铝粉体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：将铝粉、氮化铝粉和氯化铵粉混合，将混合物放入研钵中研磨；所述铝粉、氮化铝粉和氯化铵粉占混合物的质量百分比如下：铝粉24.8～35％，氮化铝粉64.7～74.8％，氯化铵粉0.01～0.4％；所述铝粉采用粒径选择范围为0.5～3μm的球形铝粉；所述氮化铝粉采用与所述原料铝粉粒径相同的球形铝粉作为铝源，进行原位氮化获得；

步骤2：将研磨均匀的粉体装入带有石墨碳毡外保温层和内保护层的多孔石墨坩埚中敦实，多孔石墨坩埚底部放置有一条石墨纸带，然后把多孔石墨坩埚放入燃烧合成的反应装置中，将反应室抽真空至气压小于10Pa后，充入纯度为99.99％的氮气，氮气压力控制在0.2～0.9MPa；

步骤3：在电压为20V，电流为60A的条件下给石墨纸带通电20秒，将粉末从底部引燃，发生燃烧反应；

步骤4：待自然冷却后，释放反应室中的氮气，打开反应装置，取出多孔石墨坩埚，多孔石墨坩埚中所获得的灰白色粉体即为球形氮化铝粉体。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4所得球形氮化铝粉体的粒径随使用的不同粒径的铝粉原料在0.5～3μm的范围内可调。