CN104891457B - 一种利用电爆炸制备纳米氮化铝材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电爆炸制备纳米氮化铝材料的方法，属于工艺技术领域。所述方法是组装和调试电爆炸系统后将铝丝固定于电极之间；向电爆炸罐中加入液氮，将电爆炸罐密封；向电爆炸系统中的高压电容组充电，后启动电爆炸系统；放电结束后打开电爆炸罐，收集电爆炸罐内粉体；将粉体a添加至过量的饱和氯化氢的无水乙醇溶液中，于40～50℃下反应12～15h，过滤，洗涤至中性，于‑50～‑55℃下真空干燥24～48h，得到所述纳米氮化铝材料；所述方法无密封性要求，安全性高，具有较高的冷却速率，形成的纳米氮化铝材料粒度小且均匀。

Description

一种利用电爆炸制备纳米氮化铝材料的方法

技术领域

本发明涉及一种利用电爆炸制备纳米氮化铝材料的方法，属于工艺技术领域。

背景技术

氮化铝(AlN)是原子晶体，属类金刚石氮化物，最高稳定温度达2200℃。室温下强度高，且其强度随温度的升高下降较慢。AlN陶瓷导热性能好，线膨胀系数与硅接近，体积电阻率高，介电常数和介电损耗小，无毒，耐高温和腐蚀，力学性能良好，其综合性能优于Al₂O₃和BeO，是新一代半导体基片和电子器件封装的理想材料，在电子工业中的应用前景十分广阔。AlN粉末是制备AlN陶瓷的原料，它的性质对AlN陶瓷的制备工艺以及陶瓷性能有直接影响，要获得性能优良的AlN陶瓷材料，必须制备出纯度高、粒度细以及粒度分布窄的AlN粉末。目前，AlN粉末的合成方法主要有铝粉直接氮化法、碳热还原法、自蔓延高温合成法、化学气相沉积法、电弧放电发等。但这些方法存在能耗高、生产工艺要求苛刻等不足。随着纳米科学与技术的不断发展和半导体电子器件小型化的需求，制备出各种高质量AlN纳米结构材料是探索其独特性质和实现其纳米光电器件应用的基础；所以，近年来许多学者通过不断地改进氮化铝的制备方法，以求制得纳米氮化铝粉末。

电爆炸是指在一定的介质(不同气体、液体)中或真空条件下，通过大电容高压放电，使极高的电流通过金属、非金属细丝，欧姆加热效应使相当大的能量在丝或箔内迅速积聚，使丝发生相变，发生爆炸声和闪光等复杂的物理过程。强大的电流时导体熔化、汽化、膨胀形成冲击波且伴随等离子态气体团的形成和扩散，具有较强的力、光、热、电磁等效应。

在材料合成方面，应用电爆炸方法制备金属纳米颗粒、金属化合物颗粒、纳米合金颗粒、纳米复合材料、纳米相变材料等取得较多的研究成果。可见，电爆炸方法已广泛应用中于各类纳米材料的制备当中，技术成熟、工艺简单、能量利用率高。

利用电爆炸制备纳米氮化铝粉体的研究已取得一定的进展，主要方法是在高压氮气或氨气介质中电爆炸铝丝制备纳米氮化铝粉体。但因为选用高压气体介质或有毒气体介质，对电爆炸装置密封性有较高要求，提高了装置成本，且易出现安全隐患；此外，气体介质淬冷速率相对较低，相同条件下制备的纳米氮化铝平均粒度较大和粒度不均匀。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用电爆炸制备纳米氮化铝材料的方法，所述方法无密封性要求，安全性高，具有较高的冷却速率，形成的纳米氮化铝材料粒度小且均匀。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种利用电爆炸制备纳米氮化铝材料的方法，所述方法具体步骤如下：

(1)调节电爆炸系统中电爆炸罐上两个电极的间距至50mm±0.5mm；通过电极夹头将纯度大于等于99.99％的铝丝固定于所述电极之间；

(2)向电爆炸罐中加入液氮，通过罐盖将电爆炸罐密封；其中，液氮的添加量为没过电极5cm以上；

(3)向电爆炸系统中的高压电容组充电，使高压电容组的电压达10～19kV，启动电爆炸系统，进行放电；

(4)待高压电容组的电压为0kV时，打开电爆炸罐，待液氮完全挥发后，收集电爆炸罐内粉体a；

(5)将粉体a添加至过量的饱和氯化氢的无水乙醇溶液中，于40～50℃下反应12～15h，过滤得到固体a；用无水乙醇洗涤固体a至pH＝7，于-50～-55℃下真空干燥24～48h，得到粉体b，粉体b即为本发明所述的纳米氮化铝材料。

其中，步骤(1)所述电爆炸系统主要包括充电电源、高压电容组和电爆炸罐；所述充电电源、高压电容组和电爆炸罐通过线缆依次连接；其中，所述高压电容组的电容值为78.8μF，电压在10～19kV内连续可调；所述电爆炸罐主要包括进气阀、排气阀、罐盖、电爆炸罐本体、绝缘耐高温尼龙块、固定销、电极棒、固定接头、电极夹头，以及外围设备真空泵；其中，所述电爆炸罐本体上部设有可拆卸的罐盖，两者之间设有密封圈；在罐盖上设有进气阀和排气阀；两根电极棒分别通过绝缘耐高温尼龙块和固定销相对安装在电爆炸罐本体上，所述电极棒穿过电爆炸罐本体，一端位于电爆炸罐本体内部，另一端位于电爆炸罐本体外部；通过固定接头将电极夹头安装在电极棒位于电爆炸罐本体内部的一端；真空泵通过排气阀与电爆炸罐连接；

所述电爆炸罐本体的壁厚为20mm，内径为Φ120mm，深为150mm，构成材料为不锈钢；

步骤(1)所述铝丝的直径优选Φ0.6mm，长度优选55mm±0.5mm；

步骤(2)所述电爆炸罐的构成材料为不锈钢，且电爆炸罐的壁厚为20mm，内径为Φ120mm，深为150mm；

步骤(2)所述液氮的纯度优选99.9％。

有益效果

(1)本发明所述方法利用液氮作为铝丝电爆炸介质，电爆炸装置无密封性要求，一旦泄漏也不会发生危害，并且可使电爆炸环境温度低于零下200℃，具有较高的冷却速率，使电爆炸产生的铝蒸气团和团簇迅速冷凝，大大缩短晶粒生长的时间，从而形成粒度更小更均匀的纳米氮化铝粉体。目前已有资料中纳米氮化铝平均粒度为30～100纳米，而本发明所述方法制备得到的纳米氮化铝的平均粒度可达10～20nm。

(2)本发明所述方法生产成本低，采用的电爆炸罐无需采用特种钢材或其他有色金属合金材料，便于加工，且原料易得。

附图说明

图1为以下实施例中采用的电爆炸系统的结构示意图；

图2为以下实施例中采用的电爆炸罐的结构示意图；

图3为实施例1中制备得到的纳米氮化铝材料的X射线衍射图谱；

图4为实施例1中制备得到的纳米氮化铝材料的高分辨透射电镜照片；

其中，1-进气阀、2-排气阀、3-罐盖、4-电爆炸罐本体、5-固定销、6-绝缘耐高温尼龙块、7-电极、8-固定接头、9-电极夹头、10-充电电源、11-高压电容组、12-电爆炸罐。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。

以下实施例中提到的主要仪器与设备信息见表1。

表1

以下实施例中所述液氮的纯度为99.9％。

以下实施例中采用的电爆炸系统的结构示意图如图1所示，其主要包括充电电源、高压电容组和电爆炸罐；所述充电电源、高压电容组和电爆炸罐通过线缆依次连接；其中，所述高压电容组的电容值为78.8μF，电压在10～30kV内连续可调；所述电爆炸罐包括进气阀1、排气阀2、罐盖3、电爆炸罐本体4、绝缘耐高温尼龙块6、固定销5、电极棒7、固定接头8、电极夹头9，以及外围设备真空泵。其中，所述电爆炸罐本体4上部设有可拆卸的罐盖3，两者之间设有密封圈；在罐盖3上设有进气阀1和排气阀2；两根电极棒7分别通过绝缘耐高温尼龙块6和固定销5相对安装在电爆炸罐本体4上，所述电极棒7穿过电爆炸罐本体4，一端位于电爆炸罐本体4内部，另一端位于电爆炸罐本体4外部；通过固定接头8将电极夹头安9装在电极棒7位于电爆炸罐本体4内部的一端；真空泵通过排气阀2与所述电爆炸罐连接。

所述电爆炸罐本体为不锈钢材质，壁厚20mm，内径Φ120mm，深150mm。

所述充电电源提供电能，高压电容组储存并在电爆炸过程中提供能量来源；电爆炸基本原理为：高压电容组储存的电能在10ns～100μs内，通过极高的电压和电流以焦耳加热的形式释放到电爆炸罐的电爆炸丝上，使电爆炸丝在相应时间内，迅速液化、汽化甚至形成等离子态气团，体积急速膨胀，形成爆炸现象。

所述电爆炸丝选用直径为Φ0.6mm，长度为50mm，质量为38mg的铝丝。

所述铝丝的升华能(即单位量的物体从固态全部变为气态所需的能量总和)为12.22kJ/g，即本发明所用铝丝(38mg)升华所需能量为464.36J，而高压电容组的电容储能远高于其升华所需能量，铝丝能与氮元素充分反应，从而使铝丝变为气态后仍有大量能量注入铝蒸气，进而使铝蒸气在强电磁作用下被电离，形成温度更高、反应活性更强的离子态的铝离子气团和单粒子气团，促使铝元素与氮元素反应的发生。

实施例1

一种利用电爆炸制备纳米氮化铝材料的方法，所述方法具体步骤如下：

(1)组装和调试电爆炸系统，使电爆炸罐上的两个电极的间距为50mm±0.5mm；通过电极夹头将纯度为99.99％的铝丝固定于所述电极之间；

(2)用无水乙醇清洁电爆炸罐，并用热风机吹干；向电爆炸罐中倒入液氮，使之没过电爆炸罐的纯铜电极5cm，通过罐盖将电爆炸罐密封；

(3)向电爆炸系统中的高压电容组充电，使高压电容组的电压达10kV，启动电爆炸系统，进行放电；

(4)待高压电容组的电压为0kV时，打开电爆炸罐，待液氮完全挥发后，收集电爆炸罐内灰黑色的粉体a；

(5)将粉体a添加至过量的饱和氯化氢的无水乙醇溶液中，于50℃下反应15h，过滤得到固体a；用无水乙醇洗涤固体a至pH＝7，-50℃环境下低温冷冻抽真空干燥24h冷冻真空干燥，得到浅灰色粉体b，浅灰色粉体b即为本发明所述的纳米氮化铝材料。

所述浅灰色粉体b的X射线衍射图谱如图3所示，可知浅灰色分体b为六方相氮化铝粉体。

所述浅灰色粉体b的高分辨透射电镜照片如图4所示，浅灰色粉体b其颗粒形状为球形、椭球形，粒度10～20nm。

综上可知，浅灰色粉体b即为本发明所述的纳米氮化铝材料。

实施例2

一种利用电爆炸制备纳米氮化铝材料的方法，所述方法具体步骤如下：

(1)组装和调试电爆炸系统，使电爆炸罐上的两个电极的间距为50mm±0.5mm；通过电极夹头将纯度为99.99％的铝丝固定于所述电极之间；

(2)用无水乙醇清洁电爆炸罐，并用热风机吹干；向电爆炸罐中倒入液氮，使之没过电爆炸罐的纯铜电极5.5cm，通过罐盖将电爆炸罐密封；

(3)向电爆炸系统中的高压电容组充电，使高压电容组的电压达15kV，启动电爆炸系统，进行放电；

(4)待高压电容组的电压为0kV时，打开电爆炸罐，待液氮完全挥发后，收集电爆炸罐内灰黑色的粉体a；

(5)将粉体a添加至过量的饱和氯化氢的无水乙醇溶液中，于40℃下反应12h，过滤得到固体a；用无水乙醇洗涤固体a至pH＝7，-53℃环境下低温冷冻抽真空干燥48h冷冻真空干燥，得到浅灰色粉体b，浅灰色粉体b即为本发明所述的纳米氮化铝材料。

由浅灰色粉体b的X射线衍射图谱可知，浅灰色粉体b为典型六方相氮化铝粉体。

由浅灰色粉体b的高分辨透射电镜照片可知，浅灰色粉体b其颗粒形状为球形、不规则多边形，粒度10～20nm。

综上可知，浅灰色粉体b即为本发明所述的纳米氮化铝材料。

实施例3

一种利用电爆炸制备纳米氮化铝材料的方法，所述方法具体步骤如下：

(1)组装和调试电爆炸系统，使电爆炸罐上的两个电极的间距为50mm±0.5mm；通过电极夹头将纯度为99.99％的铝丝固定于所述电极之间；

(2)用无水乙醇清洁电爆炸罐，并用热风机吹干；向电爆炸罐中倒入液氮，使之没过电爆炸罐的纯铜电极5.5cm，通过罐盖将电爆炸罐密封；

(3)向电爆炸系统中的高压电容组充电，使高压电容组的电压达19kV，启动电爆炸系统，进行放电；

(4)待高压电容组的电压为0kV时，打开电爆炸罐，待液氮完全挥发后，收集电爆炸罐内灰黑色的粉体a；

(5)将粉体a添加至过量的饱和氯化氢的无水乙醇溶液中，于45℃下反应13.5h，过滤得到固体a；用无水乙醇洗涤固体a至pH＝7，-55℃环境下低温冷冻抽真空干燥36h冷冻真空干燥，得到浅灰色粉体b，浅灰色粉体b即为本发明所述的纳米氮化铝材料。

由浅灰色粉体b的X射线衍射图谱可知，浅灰色粉体b为典型六方相氮化铝粉体。

由浅灰色粉体b的高分辨透射电镜照片可知，浅灰色粉体b其颗粒形状为不规则多边形，粒度10～20nm。

综上可知，浅灰色粉体b即为本发明所述的纳米氮化铝材料。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用电爆炸制备纳米氮化铝材料的方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：

(1)调节电爆炸系统中电爆炸罐上两个电极的间距至50mm±0.5mm；通过电极夹头将纯度大于等于99.99％的铝丝固定于所述电极之间；

(2)向电爆炸罐中加入液氮，通过罐盖将电爆炸罐密封；其中，液氮的添加量为没过电极5cm以上；

(3)向电爆炸系统中的高压电容组充电，使高压电容组的电压达10～19kV，启动电爆炸系统，进行放电；

(4)待高压电容组的电压为0kV时，打开电爆炸罐，待液氮完全挥发后，收集电爆炸罐内粉体a；

(5)将粉体a添加至过量的饱和氯化氢的无水乙醇溶液中，于40～50℃下反应12～15h，过滤得到固体a；用无水乙醇洗涤固体a至pH＝7，于-50～-55℃下真空干燥24～48h，得到所述纳米氮化铝材料；

其中，所述电爆炸系统主要包括充电电源(10)、高压电容组(11)和电爆炸罐(12)；所述充电电源(10)、高压电容组(11)和电爆炸罐(12)通过线缆依次连接；所述电爆炸罐(12)包括进气阀(1)、排气阀(2)、罐盖(3)、电爆炸罐本体(4)、绝缘耐高温尼龙块(6)、固定销(5)、电极(7)、固定接头(8)、电极夹头(9)，以及外围设备真空泵；其中，所述电爆炸罐本体(4)上部设有可拆卸的罐盖(3)，两者之间设有密封圈；在罐盖(3)上设有进气阀(1)和排气阀(2)；两根电极(7)分别通过绝缘耐高温尼龙块(6)和固定销(5)相对安装在电爆炸罐本体(4)上，所述电极(7)穿过电爆炸罐本体(4)，一端位于电爆炸罐本体(4)内部，另一端位于电爆炸罐本体(4)外部；通过固定接头(8)将电极夹头(9)安装在电极(7)位于电爆炸罐本体(4)内部的一端；真空泵通过排气阀(2)与所述电爆炸罐连接。

2.根据权利要求1所述的一种利用电爆炸制备纳米氮化铝材料的方法，其特征在于：所述高压电容组(11)的电容值为78.8μF，电压在10～30kV内连续可调；所述电爆炸罐的壁厚为20mm，内径为Φ120mm，深为150mm，构成材料为不锈钢；所述铝丝的直径为Φ0.6mm，长度为55mm±0.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种利用电爆炸制备纳米氮化铝材料的方法，其特征在于：步骤(2)所述液氮的纯度为99.9％。