CN106744740B - 一种高纯氮化铝粉体及其制备方法 - Google Patents

一种高纯氮化铝粉体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高纯氮化铝粉体，该粉体AlN含量≥95.2wt%，N含量≥32.5wt%，粒径为1‑5μm。本发明还提供了制备该氮化铝粉体的方法，该方法为特定铝粉通过添加反应添加剂进行烧结，所得产物加入反应助熔剂并进行二次烧结，最后破碎、分级获得产品。本发明制备的氮化铝纯度高，粒度均匀，制备方法工艺简单，易于操作，成本低廉，极大提高了氮化铝粉的氮化率，粒径可控，产量高，批次性能稳定，可进行工业化大规模生产。

Description

一种高纯氮化铝粉体及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种氮化物材料，具体地说涉及一种高纯氮化铝粉体及其制备方法。
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、高可靠性方向发展。同时器件愈来愈复杂，又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，基片的散热以及材料的选择便成为重要的课题。AlN陶瓷的导热系数比Al2O3陶瓷高8～10倍，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，被视为新一代很有发展前途的优良绝缘散热基片材料。
目前，氮化铝粉体的主要制备方法有：氧化铝粉碳热还原法、铝粉直接氮化法和自蔓延高温合成法。用碳热还原法制备氮化铝粉末时，影响反应的因素很多。例如碳源的选择，铝源的选择，碳铝摩尔比的确定等，同时碳热还原法合成温度高，合成时间长，从而使制备成本较高。燃烧合成法，又称自蔓延高温合成法，产物纯度相对较高，但是它需要在较高的氮气压力下进行，该方法对设备要求较高，且单次产量低，铝粉原料需经长时间预处理。相比之下，铝粉直接氮化法具有工艺简单和成本较低的优点，但该方法存在氮化率低问题，由于铝粉在氮化反应中放出大量热，超过660℃就开始熔化并结块，同时在铝粉颗粒表面生成氮化膜从而阻止氮化反应的进一步进行。此外，袁志刚等人的发明专利“用微细金属铝粉生产高纯氮化铝粉的方法”(专利号：ZL201310554267.0)，采用铝含量在99.99％以上的高温铝液为热源，将高纯微细金属铝粉和纯度在99.9999％以上的氮气混合体加热到1400℃以上，铝粉与氮气反应生成高纯的氮化铝粉，而且高温铝液产生的铝蒸汽也与氮气反应生成高纯氮化铝粉，生成的氮化铝粉被流动氮气携带进行降温冷却和收集。该方法对反应设备要求较为苛刻，工艺复杂，不利于工业化生产。
发明内容
本发明的目的就是提供一种高纯氮化铝粉体及其制备方法，以解决现有技术制备的氮化铝粉纯度较低和工艺复杂的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明提供一种高纯氮化铝粉体，该粉体AlN含量≥95.2wt％，N含量≥32.5wt％(纯度为100wt％的AlN中理论N含量是34.15％)，粒径为1-5μm，其粒径可通过改变一次烧结产物的粒径大小来调节。
进一步地，本发明提供了一种高纯氮化铝粉体，该粉体AlN含量≥99.9wt％，N含量≥34.11wt％。
进一步地，本发明提供了一种高纯氮化铝粉体，该粉体的纯度满足99.9wt％≥AlN含量≥95.2wt％，34.11wt％≥N含量≥32.5wt％。
本发明还提供了一种高纯氮化铝粉体的制备方法，包括以下步骤：
a、称取Al粉和反应添加剂A，其中A为AlN粉末，称取AlN粉末的总质量是所称取Al粉总质量的2％-20％；
b、将步骤a中称取的原料充分混合，并装入钼坩埚中；
c、将钼坩埚放入烧结炉中，抽真空至20KPa，在流通的N2和H2混合气氛条件下，以3～5℃/min的速率升温至500～800℃，并保温2～6h，然后以3-7℃/min的速率降温至300℃，自然冷却至室温，得到一次烧结产物，将产物经粉碎后待用；
d、在步骤c所得产物中加入反应助熔剂B，其中B为NH4HCO3和AlCl3的混合物，且两者质量比为NH4HCO3∶AlCl3＝1∶2，B的加入量满足质量比A∶B＝2∶1～4∶1；
e、将步骤d中的物料充分混合后放入真空箱式炉中，抽真空至20KPa，在流通的N2和H2混合气氛条件下，以5～10℃/min的速率升温至800～1100℃，通入NH3，并保温6～9h，然后以3-7℃/min的速率降温至300℃，自然冷却至室温，得到二次烧结产物，将产物粉碎和分级后得到高纯氮化铝粉体。
步骤a中Al粉的纯度为99.99wt％，颗粒形貌为球形，粒径为10～50μm。
步骤a中AlN粉末添加剂的纯度为99.99wt％，颗粒形貌为球形，粒径为1-3μm。
步骤c和e中N2和H2的体积比为1∶1，流量控制在1-2L/min。
步骤e中NH3的流量控制在0.5-1L/min。
步骤a-d中物料的称量、混合和粉碎均在氮气手套箱中进行。
本发明制备的所述氮化铝粉体具有纯度高，粒度均匀的优点。本发明有效解决了传统直接氮化法产品纯度不高的问题，且其所提供的制备方法工艺简单，单次产量相对较高，适合工业化生产。通过加入添加剂可有效避免引入杂质，并显著提高氮化率，防止铝粉自烧结，同时添加剂氮化铝粉的加入量较少，降低了原料成本，提高了单批产量。通过添加特殊反应助熔剂，并配合使用添加剂以及二次烧结法，能有效的破坏Al表面的AlN薄膜，促进氮化反应的进行，改善直接氮化法的产品颗粒团聚，不均匀的缺点。
本发明在两次烧结中通过控制特定的烧结气氛、流量、升温速率、保温时间等条件，使得能在较低成本下得到纯度高、粒径均匀可控、批次稳定的氮化铝粉体材料。
附图说明
图1是本发明实施例1所制备的AlN的SEM图。
图2是本发明实施例1所制备的AlN的XRD图。
具体实施方式
实施例1
在手套箱中称取50g纯度为99.99wt％，颗粒形貌为球形，粒径为20μm的金属Al粉，再称取5g纯度为99.99wt％，颗粒形貌为球形，粒径为2μm的反应添加剂AlN粉末(添加剂A)，充分混合20分钟后装入钼坩埚中。将混合好的物料装入烧结炉中，对其进行抽真空至20KPa，通入体积比为1:1氮氢混合气，流量控制在1.5L/min，然后以5℃/min的速率升温至600℃，保温时间4h。之后以5℃/min的速率降温至300℃，自然冷却至室温，得到一次烧结产物，然后将其在手套箱中球磨粉碎后至3μm左右待用。
在待用物料中添加反应助熔剂B(NH4HCO3和AlCl3的混合物，质量比为1:2)1.67g，充分混合20分钟后装入真空箱式炉中，通入体积比为1:1氮氢混合气，流量控制在1.5L/min，以升温速率10℃/min升温至900℃，并通入反应气氛NH3，流量控制在0.8L/min，保温7h，然后以5℃/min的速率降温至300℃，自然冷却至室温，得到二次烧结产物，将二次烧结产物粉碎和分级后得到高纯氮化铝粉体，对其进行表征，如图1和图2所示。
对比例1、2，实施例2-10
参照实施例1的制备方法，改变添加剂A和助熔剂B的添加量，其他工艺条件均与实施例1相同，对制得的氮化铝粉体进行N含量、颗粒均匀性的测试，所得结果如表1所示。
表1
由表1可知，在其它工艺条件不变的情况下，随着一次烧结中的添加剂AlN粉添加量的增多，氮化率会先升高后降低，在添加量为Al粉的10％时氮化率最好；二次烧结中助熔剂NH4HCO3、AlCl3直接影响了颗粒形貌；由对比例1和对比例2的结果可以看出，添加剂AlN粉和助熔剂的配合使用，有效的改善了传统直接氮化法的产品纯度和颗粒形貌，添加剂AlN粉与助熔剂的质量比为3:1时效果最佳，显著改善了最后产品的氮化率。
实施例11-17
参照实施例1的制备方法，改变待用的一次烧结产物的粒径，助熔剂B中NH4HCO3和AlCl3的比例，其他工艺条件均同实施例1，对制得的氮化铝粉体进行N含量、颗粒形貌的测试，所得结果如表2所示。
表2
由表2可知，一次烧结产物的粒径大小直接影响产品的粒径，且产品粒径可根据需要通过改变一次烧结产物的粒径大小来调节。助熔剂B中NH4HCO3与AlCl3的质量比对产品粒径和均匀性均有较大影响，其最佳比例为1:2。
实施例18-34
参照实施例1的制备方法，改变一次烧结条件、二次烧结条件，其他工艺条件均同实施例1，对制得的氮化铝粉体进行N含量、颗粒形貌的测试，所得结果见表3所示。
表3
由表3可知，通过改变一次烧结和二次烧结的温度和保温时间可知，随着烧结温度的升高，氮化率是先升高后降低的趋势，颗粒均匀性先变好后逐渐变差，颗粒团聚、颗粒粒径变大；随着保温时间的延长，氮化率略有改善，颗粒粒径变大；当一次烧结温度为600℃，保温时间为4h，二次烧结温度为900℃，保温时间为7h时氮化率最高，颗粒均匀性最好。

Claims (6)

1.一种高纯氮化铝粉体的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
a、称取Al粉和反应添加剂A，其中A为AlN粉末，称取AlN粉末的总质量是所称取Al粉总质量的2%-20%；
b、将步骤a中称取的原料充分混合，并装入钼坩埚中；
c、将钼坩埚放入烧结炉中，抽真空至20KPa，在流通的N2和H2混合气氛条件下，以3~5℃/min的速率升温至500~800℃，并保温2~6h，然后以3-7℃/min的速率降温至300℃，自然冷却至室温，得到一次烧结产物，将产物经粉碎后待用；
d、在步骤c所得产物中加入反应助熔剂B，其中B为NH4HCO3和AlCl3的混合物，且两者质量比为NH4HCO3∶AlCl3=1:2，B的加入量满足质量比A∶B=2∶1~4∶1；
e、将步骤d中的物料充分混合后放入真空箱式炉中，抽真空至20KPa，在流通的N2和H2混合气氛条件下，以5~10℃/min的速率升温至800~1100℃，通入NH3，并保温6~9h，然后以3-7℃/min的速率降温至300℃，自然冷却至室温，得到二次烧结产物，将产物粉碎和分级后得到高纯氮化铝粉体。
2.根据权利要求1所述的高纯氮化铝粉体的制备方法，其特征在于，步骤a中Al粉的纯度为99.99wt%，颗粒形貌为球形，粒径为10~50µm。
3.根据权利要求1所述的高纯氮化铝粉体的制备方法，其特征在于，步骤a中AlN粉末添加剂的纯度为99.99wt%，颗粒形貌为球形，粒径为1-3µm。
4.根据权利要求1所述的高纯氮化铝粉体的制备方法，其特征在于，步骤c和e中N2和H2的体积比为1∶1，流量控制在1-2L/min。
5.根据权利要求1所述的高纯氮化铝粉体的制备方法，其特征在于，步骤e中NH3的流量控制在0.5-1L/min。
6.根据权利要求1所述的高纯氮化铝粉体的制备方法，其特征在于，步骤a-d中物料的称量、混合和粉碎均在氮气手套箱中进行。
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