CN109264680A - 基于醇铝水解法制备高纯超细氮化铝粉末的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于醇铝水解法制备高纯超细氮化铝粉末的方法，包括：S1，将高纯铝锭轧制或裁切成直径小于等于2mm的铝丝或铝屑；S2，将铝丝或铝屑与异丙醇与催化剂进行催化反应得到含异丙醇铝的溶液；S3，将异丙醇铝蒸馏出来后冷凝回收得到提纯后的异丙醇铝；S4，将提纯后的异丙醇铝溶于高纯非极性溶剂中，搅拌均匀；再将无定形碳按照配比逐渐加入溶剂中，超声搅拌至无定形碳完全溶解获得混合溶液并加热到50～70℃后，通入超纯水蒸气获得铝源和碳源的均匀沉淀物，经滤布过滤后真空干燥得到前驱体；S6，将所述前驱体在高纯含氮气氛中1200～1500℃煅烧得到氮化产物；S7，将所述氮化产物在空气中加热至600～800℃，保温1～4h除去残余的无定形碳，得到所述高纯超细氮化铝粉末。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于醇铝水解法制备高纯超细氮化铝粉末的方法。
背景技术
氮化铝具有高的热导率、较低的介电常数和介电损耗、良好的绝缘性能，与硅和砷化镓等芯片材料相匹配的热膨胀系数、优异的力学性能、无毒、耐腐蚀等诸多突出性能，已被广泛应用于电子、汽车、航空航天、军事国防等领域。随着近几年集成电路行业的飞速发展，对具有优异的导热、绝缘性能的氮化铝材料的需求大大增加，如何制备出具有更高性能的氮化铝陶瓷一直是近几年氮化铝研究领域的热点。
高质量的氮化铝原料粉末是获得高性能氮化铝陶瓷的必要条件，要想制备出性能优异的氮化铝陶瓷，首先要制备出高纯度、细粒度、粒径均匀的氮化铝原料粉末。目前，工业上氮化铝原料粉末的生产方法主要有：直接氮化法、碳热还原法，其中碳热还原法可以生产高纯度、细粒度、粒径均匀的氮化铝原料粉末，但是存在原料粉末难以混合均匀、反应温度高，粉末容易团聚、耗能大等问题，本发明基于醇铝水解法，发明一种适合生产高纯度细粒度氮化铝粉末的新方法。
发明内容
本发明提供了一种基于醇铝水解法制备高纯超细氮化铝粉末的方法，可以有效解决上述问题。
本发明是这样实现的：
一种基于醇铝水解法制备高纯超细氮化铝粉末的方法，包括以下步骤：
S1，将高纯铝锭轧制或裁切成直径小于等于2mm的铝丝或铝屑，并除去表面油渍灰尘；
S2，将异丙醇与催化剂混合均匀并不断搅拌，将清洗后的铝丝或铝屑按照配比逐渐加入其中,加热至120～150℃进行催化反应得到含异丙醇铝的溶液；
S3，将所述含异丙醇铝的溶液水浴加热至83～85℃，蒸馏出残余的异丙醇，并将剩余含异丙醇铝的溶液抽真空至100～2000Pa，水浴加热至140～150℃，将溶液中的异丙醇铝蒸馏出来后冷凝回收得到提纯后的异丙醇铝；
S4，将提纯后的异丙醇铝溶于高纯非极性溶剂中，搅拌均匀；再将无定形碳按照配比逐渐加入溶剂中，超声搅拌至无定形碳完全溶解获得混合溶液，其中铝和碳原子比为Al：C＝1：3～10；
S5，将所述混合溶液加热到50～70℃后，通入超纯水蒸气后保温2～5h，获得铝源和碳源的均匀沉淀物，经滤布过滤后真空干燥，得到铝源和碳源均匀混合的前驱体；
S6，将所述前驱体在高纯含氮气氛中1200～1500℃煅烧2～8h，气体流量为1～8L/min，冷却后得到氮化产物；
S7，将所述氮化产物在空气中加热至600～800℃，保温1～4h除去残余的无定形碳，得到所述高纯超细氮化铝粉末。
作为进一步改进的，所述高纯铝锭的纯度在99.99％以上。
作为进一步改进的，所述无定形碳包括纯度在99.99％以上的炭黑、活性炭、石墨，且其粒径在20纳米以下。
作为进一步改进的，所述催化剂为氯化汞，其加入量为加料总重量的0.02～0.08wt％，所述铝丝或铝屑与异丙醇的摩尔比为1：3.0～4.0。
作为进一步改进的，所述催化剂为氯化汞，其加入量为加料总重量的0.02～0.08wt％，所述铝丝或铝屑与异丙醇的摩尔比为1：3.2～3.8。
作为进一步改进的，所述高纯非极性溶剂为正庚烷、正己烷、辛烷和汽油。
作为进一步改进的，所述高纯含氮气氛为氮气，氨气，氰化氢，一氧化二氮。
作为进一步改进的，气体流量2～6L/min。
作为进一步改进的，所述高纯超细氮化铝粉末的粒径在0.1～0.6μm，纯度>99％，其中金属杂质含量Fe<0.001％，Si<0.002％，Ca<0.001％。
本发明的有益效果是：
1.将纳米无定形碳引入到异丙醇铝水解过程当中，利用无定形碳为氢氧化铝溶胶提供现成的成核表面；
2.纳米无定形碳将氢氧化铝胶粒包覆或吸附在其表面，减弱沉淀粒子之间的相互吸引力，避免氢氧化铝凝胶在形成的过程中发生团聚；
3.在氢氧化铝凝胶形成过程中，无定形碳吸附在氢氧化铝表面从而实现了铝源和无定形碳的均匀混合，改善了传统碳热还原法以氧化铝和无定形碳为原料时难以混合均匀的问题；
4.在氢氧化铝沉淀形成过程中就已经有纳米无定形碳颗粒吸附和包覆，因此可以使得粒度细小的铝源和碳源粒子直接接触反应，提高反应活性，降低了氮化反应温度，均匀分散的无定形碳颗粒阻碍了氮化铝颗粒的团聚和长大，从而制备出粒度细小、粒径均匀的氮化铝粉末。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例提供的基于醇铝水解法制备高纯超细氮化铝粉末的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参照图1所示，一种基于醇铝水解法制备高纯超细氮化铝粉末的方法，包括以下步骤：
S1，将高纯铝锭轧制或裁切成直径小于等于2mm的铝丝或铝屑，并除去表面油渍灰尘；
S2，将异丙醇与催化剂混合均匀并不断搅拌，将清洗后的铝丝或铝屑按照配比逐渐加入其中,加热至120～150℃进行催化反应得到含异丙醇铝的溶液；
S3，将所述含异丙醇铝的溶液水浴加热至83～85℃，蒸馏出残余的异丙醇，并将剩余溶液抽真空至100～2000Pa，水浴加热至140～150℃，将异丙醇铝蒸馏出来后冷凝回收得到提纯后的异丙醇铝；
S4，将提纯后的异丙醇铝溶于高纯非极性溶剂中，搅拌均匀；再将无定形碳按照配比逐渐加入溶剂中，超声搅拌至无定形碳完全溶解获得混合溶液，其中铝和碳原子比为Al：C＝1：3～10；
S5，将所述混合溶液加热到50～70℃后，通入超纯水蒸气后保温2～5h，获得铝源和碳源的均匀沉淀物，经滤布过滤后真空干燥，得到铝源和碳源均匀混合的前驱体；
S6，将所述前驱体在高纯含氮气氛中1200～1500℃煅烧2～8h，气体流量为1～8L/min，冷却后得到氮化产物；
S7，将所述氮化产物在空气中加热至600～800℃，保温1～4h除去残余的无定形碳，得到所述高纯超细氮化铝粉末。
在步骤S1中，所述高纯铝锭的纯度在99.99％以上。另外，可以通过超声波清洗的方式除去表面油渍灰尘。
在步骤S2中，所述催化剂为氯化汞，其加入量为加料总重量的0.02～0.08wt％，所述铝丝或铝屑与异丙醇的摩尔比为1：3.0～4.0。优选的，所述铝丝或铝屑与异丙醇的摩尔比为1：3.2～3.8。
在步骤S4中，所述无定形碳包括纯度在99.99％以上的炭黑、活性炭、石墨，且其粒径在20纳米以下。
作为进一步改进的，所述高纯非极性溶剂为正庚烷、正己烷、辛烷和汽油。优选的，所述高纯非极性溶剂为正庚烷或汽油。
在步骤S6中，所述高纯含氮气氛为氮气，氨气，氰化氢，一氧化二氮。优选的，所述高纯含氮气氛为氨气。作为进一步改进的，所述气体流量2～6L/min。
实施例1.
(1)铝锭破碎：将纯度在99.99％以上的高纯铝锭轧制或裁切成铝丝或铝屑，其中铝丝或铝屑直径≤2mm，之后在无水乙醇中进行超声清洗20min，除去表面油渍灰尘。
(2)制备异丙醇铝：将异丙醇与氯化汞混合均匀并不断搅拌，将清洗后的铝丝或铝屑按照配比逐渐加入其中，将溶液在密闭容器中加热至145℃进行催化反应，保温100min后得到含异丙醇铝的溶液，其中，氯化汞的加入量为加料总量的0.05％，铝丝或铝屑与异丙醇的摩尔比为1：3.5；
(3)异丙醇铝的提纯：
3.1.将含异丙醇铝的溶液在常压条件下，水浴加热至85℃，蒸馏出残余的异丙醇，冷凝回收后继续使用；
3.2.将剩余溶液抽真空至100～2000Pa，水浴加热至145℃，将异丙醇铝蒸馏出来后冷凝回收得到提纯后的异丙醇铝。
(4)将所得异丙醇铝溶于正庚烷中，搅拌均匀，再将无定形碳按照配比逐渐加入溶剂中，超声搅拌30min至无定形碳完全溶解获得混合溶液，其中铝和碳原子比为Al：C＝1：5。
(5)制备前驱体：将混合溶液加热到65℃后，通入超纯水蒸气后保温4h，获得铝源和碳源的均匀沉淀物，经滤布过滤后置于80℃的真空干燥箱中进行烘干，得到铝源和碳源均匀混合的前驱体。
(6)氮化反应：将前驱物在高纯氨气气氛中1450℃煅烧6h，气体流量为5L/min，冷却后得到氮化产物。
(7)除碳：将氮化产物置于马弗炉中，在空气中加热至750℃，保温3h除去残余的无定形碳，得到所述高纯超细氮化铝粉末。
通过上述方法获得所述高纯超细氮化铝粉末的粒径在0.1～0.6μm，纯度>99％，其中金属杂质含量Fe<0.001％，Si<0.002％，Ca<0.001％。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于醇铝水解法制备高纯超细氮化铝粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将高纯铝锭轧制或裁切成直径小于等于2mm的铝丝或铝屑，并除去表面油渍灰尘；
S2，将异丙醇与催化剂混合均匀并不断搅拌，将清洗后的铝丝或铝屑按照配比逐渐加入其中,加热至120～150℃进行催化反应得到含异丙醇铝的溶液；
S3，将所述含异丙醇铝的溶液水浴加热至83～85℃，蒸馏出残余的异丙醇，并将剩余含异丙醇铝的溶液抽真空至100～2000Pa，水浴加热至140～150℃，将溶液中的异丙醇铝蒸馏出来后冷凝回收得到提纯后的异丙醇铝；
S4，将提纯后的异丙醇铝溶于高纯非极性溶剂中，搅拌均匀；再将无定形碳按照配比逐渐加入溶剂中，超声搅拌至无定形碳完全溶解获得混合溶液，其中铝和碳原子比为Al：C＝1：3～10；
S5，将所述混合溶液加热到50～70℃后，通入超纯水蒸气后保温2～5h，获得铝源和碳源的均匀沉淀物，经滤布过滤后真空干燥，得到铝源和碳源均匀混合的前驱体；
S6，将所述前驱体在高纯含氮气氛中1200～1500℃煅烧2～8h，气体流量为1～8L/min，冷却后得到氮化产物；
S7，将所述氮化产物在空气中加热至600～800℃，保温1～4h除去残余的无定形碳，得到所述高纯超细氮化铝粉末。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高纯铝锭的纯度在99.99％以上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无定形碳包括纯度在99.99％以上的炭黑、活性炭、石墨，且其粒径在20纳米以下。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂为氯化汞，其加入量为加料总重量的0.02～0.08wt％，所述铝丝或铝屑与异丙醇的摩尔比为1：3.0～4.0。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂为氯化汞，其加入量为加料总重量的0.02～0.08wt％，所述铝丝或铝屑与异丙醇的摩尔比为1：3.2～3.8。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高纯非极性溶剂为正庚烷、正己烷、辛烷和汽油。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高纯含氮气氛为氮气，氨气，氰化氢，一氧化二氮。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，气体流量2～6L/min。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高纯超细氮化铝粉末的粒径在0.1～0.6μm，纯度>99％，其中金属杂质含量Fe<0.001％，Si<0.002％，Ca<0.001％。
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