CN106517114B - 一种低温低压制备超细氮化铝粉末的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低温低压制备超细氮化铝粉末的方法，包括：（a）制备前驱体混合物：将粒径为0.8µm的氧化铝粉末、碳含量为44%的高纯水溶性淀粉及粒径为1~3µm的烧结助剂充分混合，得到混合均匀的前驱体混合物；（b）低温低压合成：将混合均匀的前驱体混合物放入烧结炉中，排除空气后通入氮气，控制烧结炉的压力为10kPa~50kPa，反应温度为1250~1300℃，保温5h；（c）脱碳处理：将烧结炉中制备出的氮化铝粉末于700℃空气氛围下保温2h，得到灰白色氮化铝粉末。本发明可有效降低制备温度，反应时间短，纯度高，得到平均粒径约为1µm、氮含量≥33.50%、氧含量≤0.61%的氮化铝粉末，产品形貌良好，颗粒分布较为均匀，生产效率高，适合大规模生产。

Description

一种低温低压制备超细氮化铝粉末的方法

技术领域

本发明涉及一种制备超细氮化铝粉末的方法，具体地说是涉及一种低温低压制备超细氮化铝粉末的方法。

背景技术

随着现代电子技术的飞速发展，要求整机朝着微型化、轻型化、高集成度和高可靠性方向发展，但同时器件愈来愈复杂，将导致基片尺寸增大和集成度提高，使得基片功率耗散增加，因此，基片的散热和材料的选择成为重要的研究课题。AlN陶瓷的导热系数比Al₂O₃陶瓷高8～10倍，其体积电阻率、击穿场强、介电损耗等电气性能可与Al₂O₃陶瓷媲美，且介电常数低、机械强度高，热膨胀系数接近硅，可进行多层布线，被视为新一代具有发展前景的优良绝缘散热基片材料。

作为制备氮化铝陶瓷的主要原料——氮化铝粉末，通常要求其具有均匀的粒度分布、规则的形貌特征及较小的中心粒径。氮化铝粉末的粒径越大，烧结得到的氮化铝陶瓷致密性越差，严重降低氮化铝陶瓷的导热率。通常采用粒径为0.6～2.5μm的氮化铝粉末，经烧结制备的氮化铝陶瓷具有良好的导热率，可达到180W/(mK)以上。

在氮化铝的制备方法中，碳热还原氮化法由于设备简单、工艺成熟，所合成的氮化铝粉末在纯度、成型性和烧结活性等方面具有优势，因此目前市场上所供给的70％以上的氮化铝粉末均采用该方法制备而得。碳热还原法是将铝的氧化物与碳源混合，置于流动氮气气氛条件下进行高温合成，从而得到氮化铝粉末的一种方法。随着研究的深入，碳源的选择不仅仅局限于炭黑，用液态有机溶剂、热解树脂、糖类等也可以作为碳源，并且原料之间可混合，所得到的氮化铝粉末纯度大幅提升。

然而，现有的氮化铝制备方法的烧结温度较高，粉末粒径较大，所得氮化铝的纯度即氮化率较低，影响以其为原料，所得到的氮化铝陶瓷的性质，不能够满足其使用要求。

发明内容

本发明的目的就是提供一种低温低压制备超细氧化铝粉末的方法，以解决现有方法中制备温度较高、所得氮化铝粉末粒径大，不能满足使用要求的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种低温低压制备超细氮化铝粉末的方法，包括如下步骤：

(a)制备前驱体混合物：将氧化铝粉末、水溶性淀粉及烧结助剂充分混合，得到混合均匀的前驱体混合物；

(b)低温低压合成：将混合均匀的前驱体混合物放入烧结炉中，排除空气后通入氮气，控制烧结炉的压力为10kPa～50kPa，反应温度为1250～1300℃，保温5h；

(c)脱碳处理：将烧结炉中制备出的氮化铝粉末于700℃空气氛围下保温2h，得到灰白色氮化铝粉末。

步骤(a)中，将粒径为0.8μm的氧化铝粉末、碳含量为44％的高纯水溶性淀粉及粒径为1～3μm的烧结助剂充分混合，得到混合均匀的前驱体混合物。

步骤(a)中，水溶性淀粉与氧化铝的质量比为1.6～1.8∶1。

步骤(a)中，所用烧结助剂为氟化钙、碳酸钙、氧化钙中的一种或几种。

步骤(a)中，烧结助剂占前驱体混合物的3wt％。

步骤(a)中，将水溶性淀粉分散在水中，加热至80℃糊化45min，冷却至50℃后加入氧化铝粉末和烧结助剂，搅拌24h，经过滤、干燥、过筛处理得到前驱体粉末。

步骤(a)中混料时间为24h～30h。

水溶性淀粉与水的质量比为1∶3。

步骤(b)和(c)中，所采用的烧结炉为刚玉管式炉，以快速除去其中的粉末及空气，使反应处于绝氧状态。

本发明采用粒径较小的氧化铝粉末与高纯度水溶性淀粉在一定压力下与氮气反应，同时加入烧结助剂，在较低的反应温度下制备得到平均粒径约为1μm、氮含量≥33.50％、氧含量≤0.61％的氮化铝粉末，原料可充分混合，经济环保，所得产品氮化率高、形貌良好且粒度较为均一。

本发明的方法可有效降低氮化铝的制备温度，反应时间短，纯度高，所得产品形貌良好，颗粒分布较为均匀，生产效率高，适合大规模生产。

附图说明

图1是实施例15所制备氮化铝粉末的XRD谱图。

图2是实施例15所制备的氮化铝粉末的SEM谱图。

具体实施方式

下述实施例进一步详细说明本发明，但不以任何形式限制本发明。

实施例中所用试剂均为分析纯或化学纯，且均可市购或通过本领域普通技术人员熟知的方法制备，其中所用氧化铝粉的粒径为0.8μm，纯度为99.99％；水溶性淀粉中碳含量为44％，纯度为99％；烧结助剂的粒径为1～3μm，纯度为99％。

下述实施例均实现了本发明的发明目的。

实施例1

称取50g前驱体粉末，包括29.85g水溶性淀粉、18.65g氧化铝粉末和1.5g烧结助剂CaF₂，烧结助剂粒径为3μm；首先，将水溶性淀粉分散在100mL水中，加热至80℃，糊化45min，冷却至50℃后，加入氧化铝粉和烧结助剂CaF₂，搅拌24h，过滤、干燥、过筛处理后得到混合均匀的前驱体粉末。将混合均匀的前驱体粉末装入坩埚中，放入刚玉管式炉中，除去粉末中的空气，对刚玉管式炉进行抽真空处理，使反应体系处于绝氧状态，后通入氮气，氮气流速为0.6L/min，控制炉内压力为100kPa，反应温度为1250℃，保温5h，之后将刚玉管式炉冷却至700℃，通入空气，流速为10L/min，保温2h，得到灰色氮化铝粉末。

采用ONH836/LECO氧氮分析仪测定产物中氮化铝的氮含量和氧含量，采用扫描电镜观察氮化铝粉末的颗粒形貌。所合成的氮化铝粉末中，氮含量为33.11％，氧含量为1.00％。

实施例2～5

参照实施例1的制备方法，改变水溶性淀粉与氧化铝粉末的质量比，制备AlN粉末，对制得的AlN粉末进行氮含量的测试，所得结果如表1所示。

表1

从表1中可以看出，当水溶性淀粉与氧化铝粉的比例为1.2～2.0之间时，经1250℃烧结后，氮化铝的粒径为1.0μm，当水溶性淀粉与氧化铝粉的重量比为1.6时，氮化铝粉的纯度最高，即实施例1为较佳工艺。

对比例1

根据CN201180047992.8中的实施例1进行重复性实验：以粒径为0.3μm的氧化铝粉以及13nm的炭黑为原料，粒径为5μm的氧化钇为烧结助剂，首先将100g氧化铝与42g炭黑、5g氧化钇混合均匀，在1700℃下烧结15h，并在700℃空气气氛中氧化2h，得到氮化铝粉。对所得到的AlN粉末进行测试，含氮量为32.42％，氧含量为1.69％，粒径为11.5μm。

实施例6

称取50g前驱体粉末，包括29.85g水溶性淀粉、18.65g氧化铝粉末和1.5g烧结助剂CaF₂，烧结助剂粒径为3μm；首先，将水溶性淀粉分散在100mL水中，加热至80℃，糊化45min，冷却至50℃后，加入氧化铝粉和烧结助剂CaF₂，搅拌24h后，过滤、干燥、过筛处理后得到混合均匀的前驱体粉末。将混合均匀的前驱体粉末装入坩埚中，放入刚玉管式炉中，抽真空后通入氮气，氮气流速为0.6L/min，控制刚玉管式炉内压力为30kPa，反应温度为1250℃，保温5h，之后将刚玉管式炉冷却至700℃，通入空气，流速为10L/min，保温2h，得到灰色氮化铝粉末。所合成的氮化铝粉末中，氮含量为33.74％，氧含量为0.37％。

实施例7～18

参照实施例6的制备方法，改变反应炉内的压力和烧结温度，制备AlN粉末，对所制得的AlN粉末进行测试，所得结果如表2所示。

表2

从表2中可以看出，当烧结炉压力为30kPa，经过1250℃和1300℃烧结后，氮化铝的粒径为1.0μm，氮化铝粉的纯度最高。因此，实施例6为较佳工艺。

实施例19

称取50g前驱体粉末，包括29.85g水溶性淀粉、18.65g氧化铝粉末和1.5g烧结助剂CaO和CaF₂(重量比为1∶1)，烧结助剂粒径为3μm；首先，将水溶性淀粉分散在100mL水中，加热至80℃，糊化45min，冷却至50℃后，加入氧化铝粉和烧结助剂CaO和CaF₂，搅拌24h后，过滤、干燥、过筛处理后得到混合均匀的前驱体粉末。将混合均匀的前驱体粉末装入坩埚中，放入刚玉管式炉中，抽真空后通入氮气，氮气流速为0.6L/min，控制刚玉管式炉内压力为30kPa，反应温度为1250℃，保温5h，之后将刚玉管式炉冷却至700℃，通入空气，流速为10L/min，保温2h，得到灰色氮化铝粉末。所合成的氮化铝粉末中，氮含量为34.01％，氧含量为0.10％。

实施例20～28

参照实施例19的制备方法，改变烧结助剂及烧结助剂的粒度，制备AlN粉末，对所制得的AlN粉末进行测试，所得结果如表3所示。

表3

实施例29～32

参照实施例19的制备方法，改变混料时间、烧结时间和脱碳温度，制备AlN粉末，对所制得的AlN粉末进行测试，所得结果如表4所示。

表4

实验编号

混料时间

烧结时间

脱碳温度

氮含量

氧含量

氮化铝粒径

实施例19

24h

5h

700℃

34.01％

0.10％

1.0μm

实施例29

12h

5h

700℃

33.54％

0.57％

1.0μm

实施例30

8h

5h

700℃

33.20％

0.91％

1.0μm

实施例31

24h

3h

700℃

33.14％

0.97％

1.0μm

实施例32

24h

5h

650℃

33.65％

0.46％

1.0μm

所合成的氮化铝粉末中，混料时间在24h，保温时间5h，脱碳温度为700℃时氮化铝的纯度最高，氮含量为34.01％，氧含量为0.10％。

Claims (8)

1.一种低温低压制备超细氮化铝粉末的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（a）制备前驱体混合物：将氧化铝粉末、水溶性淀粉及烧结助剂充分混合，得到混合均匀的前驱体混合物；

（b）低温低压合成：将混合均匀的前驱体混合物放入烧结炉中，排除空气后通入氮气，控制烧结炉的压力为10kPa~50kPa，反应温度为1250~1300℃，保温5h；

（c）脱碳处理：将烧结炉中制备出的氮化铝粉末在于700℃空气氛围下保温2h，得到灰白色氮化铝粉末。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（a）中，将粒径为0.8µm的氧化铝粉末、碳含量为44%的高纯水溶性淀粉及粒径为1~3µm的烧结助剂充分混合，得到混合均匀的前驱体混合物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（a）中，水溶性淀粉与氧化铝的质量比为1.6~1.8∶1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（a）中，所用烧结助剂为氧化钙、氟化钙、碳酸钙中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（a）中，烧结助剂占前驱体混合物的3~5wt%。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（a）中，将水溶性淀粉分散在水中，加热至80℃糊化45min，冷却至50℃后加入氧化铝粉末和烧结助剂，搅拌24h，经过滤、干燥、过筛处理得到前驱体混合物。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，水溶性淀粉与水的质量比为1∶3。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（b）和（c）中，所采用的烧结炉为刚玉管式炉。