CN108101545B - 一种纳米氮化铝粉末的制备方法 - Google Patents

一种纳米氮化铝粉末的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米氮化铝粉末的制备方法，包括：将水溶性无机铝源、水溶性碳源和胺类有机物辅助剂按照一定配比配成原料溶液；然后原料溶液经过加热、溶剂蒸发、浓缩形成胶状物质后发生分解反应，得到前驱体粉末；前驱体粉末首先在1000‑1600℃含氮气氛下反应1‑10小时后再在1100‑1400℃的不含氧气氛下保温1‑10小时后冷却至室温，即得到纳米氮化铝粉末。本发明的方法工艺简便、快捷，生产成本低，易于规模化生产。根据本发明的方法制备得到的氮化铝粉末颗粒平均粒径小于等于100nm，氧含量不高于1.2％wt，球形度和分散性良好。

Description

一种纳米氮化铝粉末的制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷粉末制备技术领域，具体涉及一种纳米氮化铝粉末的制备方法。
背景技术
随着大功率和超大规模集成电路的发展，集成电路和电路基片间散热的重要性也越来越明显。因此，电路基板必须要具有高的热导率。为满足这一要求，国内外研究学者开发出了一系列高性能的陶瓷基片材料，其中，氮化铝陶瓷具有高的热导率、低的介电常数和介电损耗、可靠的电绝缘性、良好的力学性能以及与硅相匹配的热膨胀系数等特点，是综合性能最优良的先进陶瓷材料，被认为是新一代半导体基片和电子封装的理想材料。
高质量的粉末原料是获得高性能产品的先决条件，要制备性能优异的陶瓷材料，往往需要先制备出高纯度、细粒度、烧结性能良好的粉末原料。氮化铝系共价化合物，自扩散系数低，烧结致密化困难，而不致密的材料很难具备高的热导率。纳米粉体材料具有高的比表面积和表面能，烧结活性好，易于致密化，因此，制备出高质量纳米氮化铝粉末有利于获得高致密化氮化铝陶瓷。目前关于纳米氮化铝粉末的制备方法有很多报道，例如：专利CN101798072A公开了一种制备超细氮化铝粉体的方法，以可溶性铝盐为铝源，以碳酸氢氨或碳酸氨为沉淀剂，并辅以聚乙二醇等分散剂在反应器内合成碱式碳酸铝氨，加入乙炔黑反应，将反应后的固液混合物洗涤后，导入液氮中快速凝固，再置于冷冻干燥器中干燥，获得白色高分散粉末碱式碳酸铝氨；将该粉末在惰性气氛下煅烧后获得高活性无定型氧化铝粉体，经微波煅烧获得高纯超细氮化铝粉体。专利CN103539088A公开了一种氮化铝纳米颗粒的制备方法，采用九水硝酸铝和三聚氰胺为原料，利用溶胶凝胶工艺制备前驱物，再将前驱物碳热还原反应制备氮化铝。专利CN104724685A公开了一种纳米氮化铝粉末的制备方法，采用铝源、水溶性碳源和辅助剂为原料，按照一定比例配成溶液，将溶液加热，溶液挥发、浓缩后发生分解，得到前驱体粉；将前驱体粉末于1200-1800℃在一定气氛下反应1-5小时；将反应后的粉末在500-800℃的空气中处理1-3小时，得到纳米氮化铝粉末。
尽管纳米氮化铝粉末有利于材料的致密化，但由于纳米粉末具有高的比表面积，加上氮化铝自身亲氧亲水的性质，导致纳米氮化铝粉末的氧含量较高。氮化铝属于声子导热机理，杂质氧是影响氮化铝热导率的一个关键因素，如果氧进入氮化铝晶格，会形成铝空位、位错、反相畴界等结构缺陷，影响声子的传播，严重降低热导率。因此，迫切需要开发低氧含量纳米氮化铝粉末的制备方法。
发明内容
本发明提供了一种制备纳米氮化铝粉末的方法，工艺简单，成本低，易于实现规模化制备。
在本发明的一个实施方案中，所述方法包括：
(1)以水溶性无机铝源、水溶性碳源和胺类有机物辅助剂为原料并按照一定的摩尔比配成原料溶液；
(2)将上述原料溶液经加热、溶剂蒸发、浓缩形成胶状物质后发生分解反应，得到前驱体粉末；
(3)将所述前驱体粉末在1000-1600℃的含氮气氛下反应1-10小时得到氮化产物；
(4)将上述氮化产物在1100-1400℃的不含氧气氛下保温1-10小时后冷却至室温，得到纳米氮化铝粉末。
在本发明的一个实施方案中，步骤(1)中水溶性无机铝源和水溶性碳源按照Al和C原子的摩尔比1：(2-12)的比例进行配料，胺类有机物辅助剂和水溶性无机铝源按照摩尔比1：(0.2-6)的比例进行配料。
在本发明的一个实施方案中，优选地，步骤(1)中水溶性无机铝源和水溶性碳源按照Al和C原子的摩尔比为1：(4-10)，胺类有机物辅助剂和水溶性无机铝源按照摩尔比为1：(1-5)。
在本发明的一个实施方案中，更优选地，步骤(1)中水溶性无机铝源和水溶性碳源按照Al和C原子的摩尔比为1：(6-8)，胺类有机物辅助剂和水溶性无机铝源按照摩尔比为1：(2-4)。
在本发明的一个实施方案中，步骤(1)中水溶性无机铝源为氯化铝、硝酸铝、硫酸铝中的至少一种。
在本发明的一个实施方案中，步骤(1)中水溶性碳源为葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、可溶性淀粉、柠檬酸中的至少一种。
在本发明的一个实施方案中，步骤(1)中胺类有机物辅助剂为硝酸铵、甘氨酸、丙氨酸、赖氨酸中的至少一种。
在本发明的一个实施方案中，步骤(3)中含氮气氛为氮气、氨气、氰化氢、一氧化二氮气体中的至少一种。
在本发明的一个实施方案中，步骤(4)中不含氧气氛为氮气、氨气、甲烷、丙烷、氰化氢气体中的至少一种。
在本发明的实施方案中，优选地，步骤(3)中的反应温度为1100-1500℃。
在本发明的实施方案中，更优选地，步骤(3)中的反应温度为1200-1400℃。
在本发明的实施方案中，优选地，步骤(3)和(4)中的反应时间为2-5小时。
本发明具有如下优点：
(1)前驱体的热解反应为放热反应，无需外部热源，(前驱体的制备过程为放热反应，反应开始后不再需要外部热源)反应可以自维持，能耗和成本低；
(2)制得的前驱体中铝源(例如氧化铝)粒子细小，与碳混合均匀，结合紧密，前驱物反应活性高，可降低碳热还原反应温度，提高反应速率，有利于合成细粒度的纳米氮化铝粉末；
(3)整个粉末制备过程不接触含氧气氛，可将氧含量控制在1.2％wt以下；
(4)工艺简便、快捷，生产成本低，易于规模化生产；
(5)制备的纳米氮化铝粉末颗粒平均粒径在30～50nm，氧含量低于1.2％wt，球形度和分散性良好。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的阐述，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1：
称取硝酸铝0.1摩尔、尿素0.1摩尔、葡萄糖0.13摩尔、柠檬酸0.03摩尔，将各种原料溶于去离子水中，配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩、分解等一系列反应后，得到前驱体粉末，将前驱体粉末在氮气气氛中1500℃保温2小时后，再于1300℃的氮气和氨气的混合气氛中保温4小时后冷却至室温，得到平均粒度约为50nm，氧含量为0.88％wt的氮化铝粉末。
实施例2：
称取硝酸铝0.1摩尔、尿素0.1摩尔、葡萄糖0.17摩尔，将各种原料溶于去离子水中，配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩、分解等一系列反应后，得到前驱体粉末，将前驱体粉末在氮气和氨气混合气氛中1100℃保温3小时后，升温至1300℃保温4小时后冷却至室温，得到平均粒度约为30nm，氧含量为1.06wt％的氮化铝粉末。
实施例3：
称取氯化铝0.1摩尔、硝酸铵0.1摩尔、甘氨酸0.1摩尔、蔗糖0.1摩尔，将各种原料溶于水中，配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩、分解等一系列反应后，得到前驱体粉末，将前驱体粉末在氮气气氛中1400℃保温3小时后，再于1300℃的氨气和氢气的混合气氛中保温4小时后冷却至室温，得到平均粒度约为40nm，氧含量为0.98wt％的氮化铝粉末。
实施例4：
称取硫酸铝0.1摩尔、硝酸铵0.4摩尔、甘氨酸0.1摩尔、可溶性淀粉0.2摩尔，将各种原料溶于水中，配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩、分解等一系列反应后，得到前驱体粉末，将前驱体粉末在氨气气氛中1100℃保温3小时后，再于1300℃的氨气和氢气混合气中保温4小时后冷却至室温，得到平均粒度约为30nm，氧含量为1.00wt％的氮化铝粉末。
按照如上文实施例1-4所述的步骤进行实施例5-13，其中所使用的试剂以及相关反应条件参数如表1和表2所示：
表1：实施例5-9所使用的试剂以及相关反应条件参数
Figure BDA0001538608080000051
表2：实施例10-13所使用的试剂以及相关反应条件参数
Figure BDA0001538608080000052
Figure BDA0001538608080000061
对比实施例：
称取硝酸铝0.1摩尔、尿素0.1摩尔、葡萄糖0.13摩尔、柠檬酸0.03摩尔，将各种原料溶于去离子水中，配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩、分解等一系列反应后，得到前驱体粉末，将前驱体粉末在氮气气氛中1500℃保温2小时后，再于700℃空气中保温2小时，得到平均粒度约为40nm，氧含量为4.20％wt的氮化铝粉末。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细特征以及方法，但本发明并不局限于上述详细特征以及方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细特征以及方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用材料和步骤的等效替换以及辅助材料和步骤的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (5)

1.一种纳米氮化铝粉末的制备方法，其特征在于：
(1)以水溶性无机铝源、水溶性碳源和胺类有机物辅助剂为原料并按照一定的摩尔比配成原料溶液；
(2)将上述原料溶液经加热、溶剂蒸发、浓缩形成胶状物质后发生分解反应，得到前驱体粉末；
(3)将所述前驱体粉末在1000-1600℃的含氮气氛下反应1-10小时得到氮化产物；所述含氮气氛为氮气、氨气、氰化氢、一氧化二氮气体中的至少一种；
(4)将上述氮化产物在1100-1400℃的不含氧气氛下保温1-10小时后冷却至室温，得到纳米氮化铝粉末，所述不含氧气氛为氮气、氨气、甲烷、丙烷、氰化氢气体中的至少一种，或所述不含氧气氛为氨气和氢气的混合气氛。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述水溶性无机铝源和所述水溶性碳源按照Al和C原子的摩尔比1：(2-12)的比例进行配料，所述胺类有机物辅助剂和所述水溶性无机铝源按照摩尔比1：(0.2-6)的比例进行配料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述水溶性无机铝源为氯化铝、硝酸铝、硫酸铝中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述水溶性碳源为葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、可溶性淀粉、柠檬酸中的至少一种。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述胺类有机物辅助剂为硝酸铵、甘氨酸、丙氨酸、赖氨酸中的至少一种。
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