CN109437131B - 基于表面改性低温合成氮化铝陶瓷粉体的方法 - Google Patents

基于表面改性低温合成氮化铝陶瓷粉体的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于表面改性低温合成氮化铝陶瓷粉体的方法，按以下步骤进行：(1)准备铝源氧化铝超细粉体，氨水，偶联剂和聚乙二醇；(2)将氧化铝超细粉体置于无水乙醇中，搅拌形成浆料；加入氨水、偶联剂和聚乙二醇搅拌；(3)过滤后再置于无水乙醇中搅拌，二次过滤分离去除液相；(4)在搅拌条件下与酚醛树脂一同加入到无水乙醇中，搅拌形成糊状体；烘干后研磨；(5)与氮源一同研磨混合；(6)在加热炉内气压高于大气压下升温至950～1500℃进行氮化合成反应；随炉冷却；(7)在550～650℃条件下除碳。本发明的方法合成温度低，环保、成本低，具有广泛的应用前景。

Description

基于表面改性低温合成氮化铝陶瓷粉体的方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种基于表面改性低温合成氮化铝陶瓷粉体的方法。
背景技术
随着微电子技术的飞速发展，电子整机和电子元器件正朝着微型化、轻型化、集成化，以及高可靠性和大功率输出等方向发展，越来越复杂的器件对基片和封装材料的散热提出了更高的要求；传统的树脂基板与氧化铝陶瓷基板，其热导率均在30W/(m·K)以下，远不能满足大规模集成电路以及复杂器件的发展需要；氮化铝陶瓷的理论热导率为320W/(m·K)，并具有良好的电绝缘性、低的介电常数和介电损耗、与硅有良好匹配的热膨胀系数，还具有良好的化学稳定性和环保无毒等优点，已成为当今最为理想的基板材料和电子器件封装材料
生产氮化铝粉体的最简易方法是碳热还原法，即以氧化铝为铝源，通过机械混料方式添加一部分碳，在高温流动氮气下，发生碳热还原反应而生成氮化铝的方法；氧化铝粉体的粒径越细小、活性越高，合成温度就越低；铝源、碳源和氮源之间混合越均匀，合成氮化铝粉体所需要的合成温度也越低；但存在的问题是，氧化铝粉体粒径越细小，越易发生团聚，铝源和碳源之间就越不易达到均匀混合，所以需要对氧化铝粉体分散；另一方面，氧化铝是无机材料，而碳源(如蔗糖或酚醛树脂)是有机材料，无机和有机材料不能通过机械混合方式均匀混合，为此也需要对氧化铝粉体表面改性，使铝源和碳源相容，才能保障铝源和碳源混合均匀；此外，人们把注意力都集中在铝源和碳源上，而氮源方面的影响往往得不到重视。迄今为止，所用氮源都是流动氮气或氨气，氮气是惰性气体，这是碳热还原反应温度较高的一个主要原因，而氨气是强腐蚀性气体，容易泄漏，给生产安全和环境保护带来极大威胁。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于表面改性分散技术低温合成氮化铝陶瓷粉体的方法，选用活性较高的尿素或三聚氰胺，替代传统流动惰性氮气或危险性氨气作为氮源，实现低温合成氮化铝的目的。
本发明的方法按以下步骤进行：
1、准备铝源氧化铝超细粉体，催化剂氨水，表面活性剂偶联剂和聚乙二醇；其中氧化铝超细粉体的粒径≤200纳米，氨水的质量浓度为1～28％；氨水为氧化铝超细粉体质量的1～30％，偶联剂为氧化铝超细粉体质量的0.01～10％，聚乙二醇为氧化铝超细粉体质量的0.01～10％；
2、将氧化铝超细粉体置于无水乙醇中，搅拌至形成浆料；向浆料中依次加入氨水、偶联剂和聚乙二醇，搅拌1～10小时，在氨水的催化作用下，通过表面活性剂对超细氧化铝粉体进行表面改性与分散；其中无水乙醇的用量以完全溶解偶联剂和聚乙二醇为准；
3、将搅拌后的物料过滤，然后置于无水乙醇中搅拌至少5分钟，使游离的偶联剂溶于无水乙醇中，然后二次过滤分离去除液相，获得氧化铝湿粉体；
4、在搅拌条件下，将酚醛树脂和氧化铝湿粉体加入到无水乙醇中，继续搅拌使酚醛树脂全部溶解在无水乙醇中，并且全部物料形成糊状体；将糊状体置于烘箱中，在60～200℃条件下烘干去除挥发成分，剩余物料随炉冷却至常温，取出研磨，制成前驱体粉体；其中无水乙醇用量以酚醛树脂全部溶解为准；酚醛树脂与氧化铝超细粉体的摩尔比为0.5～10；
5、向前驱体粉体中加入氮源尿素或三聚氰胺，研磨混合均匀，制成复合前驱体粉体；其中氮源与氧化铝超细粉体的摩尔比为5～60；
6、将复合前驱体粉体置于加热炉中，通入惰性气体吹扫将空气驱除；然后在加热炉内气压高于大气压的条件下，升温至950～1500℃，保温2～5小时，进行氮化合成反应；反应后的物料随炉冷却至常温，获得氮化铝粗粉体；
7、将氮化铝粗粉体置于电阻炉内，在550～650℃条件下保温2～8小时，使残留的碳去除，反应后的物料随炉冷却至常温，再研磨制成氮化铝陶瓷粉体。
上述的氮化铝陶瓷粉体粒径为200～1200纳米。
上述的惰性气体为氮气或氩气。
上述的聚乙二醇的聚合度为2000～20000。
上述的步骤6中，升温和保温时控制加热炉内气压高于大气压，并小于0.4MPa。
本发明的方法基于偶联剂和聚乙二醇对氧化铝超细粉体的接枝表面改性与分散，使氧化铝粉体分散，增加氧化铝超细粉体与酚醛树脂的相容性，使铝源、碳源和氮源能够均匀混合；以活性较高的尿素或三聚氰胺替代流动氮气或氨气作为氮源，氮源在加热保温过程中分解产生的高活性氨气，原位与混合均匀的铝源和碳源发生反应，降低氮化铝的合成温度，最终获得氮化铝粉体；其中使用较多氮源和酚醛树脂是为了使铝源充分反应而不残留；本发明的方法合成温度低，环保、成本低，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1中的氮化铝陶瓷粉体的X射线衍射图。
图2为本发明实施例1中的氮化铝陶瓷粉体的SEM照片
具体实施方式
本发明实施例中采用的尿素或三聚氰胺、偶联剂、聚乙二醇和氨水为市购产品。
本发明实施例中的偶联剂选用KH-550、KH-560或KH-570。
本发明实施例中的酚醛树脂选用FQ-9。
本发明实施例中采用的X射线衍射仪为PW3040/60。
本发明实施例中采用的扫描电镜显微镜为SSX-550。
本发明实施例中烘干是将糊状体倒入托盘中平铺，以增加散热面积，再放到烘箱中烘干。
本发明实施例中升温和保温时控制加热炉内气压高于大气压，并小于0.4MPa；因氮源分解产生氨气会导致加热炉气压升高，当加热炉内的气压高过或等于0.4MPa时，通过开启加热炉上的放气阀门将加热炉内气压降低。
本发明实施例中，开启放气阀门时，放气阀门通过排气管道将气体通入盛水的密闭容器中，使放出的氨气溶于水中回收。
实施例1
准备铝源氧化铝超细粉体，催化剂氨水，表面活性剂偶联剂和聚乙二醇；其中氧化铝超细粉体的粒径40纳米，氨水的质量浓度5％；氨水为氧化铝超细粉体质量的25％，偶联剂为氧化铝超细粉体质量的1％，聚乙二醇为氧化铝超细粉体质量的1％；聚乙二醇的聚合度为20000；
将氧化铝超细粉体置于无水乙醇中，搅拌至形成浆料；向浆料中依次加入氨水、偶联剂和聚乙二醇，搅拌2小时，在氨水的作用下，通过表面活性剂对超细氧化铝粉体进行表面改性与分散；其中无水乙醇的用量以完全溶解偶联剂和聚乙二醇为准；
将搅拌后的物料过滤，然后置于无水乙醇中搅拌10分钟，使游离的偶联剂溶于无水乙醇中，然后二次过滤分离去除液相，获得氧化铝湿粉体；
在搅拌条件下，将酚醛树脂和氧化铝湿粉体加入到无水乙醇中，继续搅拌使酚醛树脂全部溶解在无水乙醇中，并且全部物料形成糊状体；将糊状体置于烘箱中，在80℃条件下烘干去除挥发成分，剩余物料随炉冷却至常温，取出研磨，制成前驱体粉体；其中无水乙醇用量以酚醛树脂全部溶解为准；酚醛树脂与氧化铝超细粉体的摩尔比为2；
向前驱体粉体中加入氮源尿素，研磨混合均匀，制成复合前驱体粉体；其中氮源与氧化铝超细粉体的摩尔比为50；
将复合前驱体粉体置于加热炉中，通入氮气吹扫将空气驱除；然后在加热炉内气压高于大气压的条件下，升温至950℃，保温4小时，进行氮化合成反应；反应后的物料随炉冷却至常温，获得氮化铝粗粉体；升温和保温时控制加热炉内气压高于大气压，并小于0.4MPa；
将氮化铝粗粉体置于电阻炉内，在550℃条件下保温8小时，使残留的碳去除，反应后的物料随炉冷却至常温，再研磨制成氮化铝陶瓷粉体，粒径为200～500纳米，X射线衍射如图1所示，由图可见，产品没有明显的杂质，扫描电镜SEM照片如图2所示。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)氨水的质量浓度为10％；氨水为氧化铝超细粉体质量的10％，偶联剂为氧化铝超细粉体质量的3％，聚乙二醇为氧化铝超细粉体质量的3％；聚乙二醇的聚合度为4000；
(2)加入氨水、偶联剂和聚乙二醇后搅拌3小时；
(3)物料过滤后于无水乙醇中搅拌30分钟；
(4)糊状体在100℃烘干；酚醛树脂与氧化铝超细粉体的摩尔比为4；
(5)氮源尿素与氧化铝超细粉体的摩尔比为40；
(6)通入氩气吹扫；升温至1000℃，保温3小时进行氮化合成；
(7)在600℃条件下保温4小时除碳，氮化铝陶瓷粉体的粒径为400～600纳米。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)氧化铝超细粉体的粒径30纳米，氨水的质量浓度为15％；氨水为氧化铝超细粉体质量的15％，偶联剂为氧化铝超细粉体质量的5％，聚乙二醇为氧化铝超细粉体质量的5％；聚乙二醇的聚合度为6000；
(2)加入氨水、偶联剂和聚乙二醇后搅拌4小时；
(3)物料过滤后于无水乙醇中搅拌60分钟；
(4)糊状体在150℃烘干；酚醛树脂与氧化铝超细粉体的摩尔比为5；
(5)氮源为三聚氰胺，与氧化铝超细粉体的摩尔比为30；
(6)升温至1050℃，保温3小时进行氮化合成；
(7)在620℃条件下保温3小时除碳，氮化铝陶瓷粉体的粒径为500～800纳米。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
(1)氧化铝超细粉体的粒径20纳米，氨水的质量浓度为20％；氨水为氧化铝超细粉体质量的10％，偶联剂为氧化铝超细粉体质量的10％，聚乙二醇为氧化铝超细粉体质量的10％；聚乙二醇的聚合度为8000；
(2)加入氨水、偶联剂和聚乙二醇后搅拌5小时；
(3)物料过滤后于无水乙醇中搅拌120分钟；
(4)糊状体在180℃烘干；酚醛树脂与氧化铝超细粉体的摩尔比为10；
(5)氮源为三聚氰胺，与氧化铝超细粉体的摩尔比为20；
(6)通入氩气吹扫；升温至1100℃，保温3小时进行氮化合成；
(7)在650℃条件下保温2小时除碳，氮化铝陶瓷粉体的粒径为700～1000纳米。

Claims (5)

1.一种基于表面改性低温合成氮化铝陶瓷粉体的方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)准备铝源氧化铝超细粉体，催化剂氨水，表面活性剂偶联剂和聚乙二醇；其中氧化铝超细粉体的粒径≤200纳米，氨水的质量浓度为1～28％；氨水为氧化铝超细粉体质量的1～30％，偶联剂为氧化铝超细粉体质量的0.01～10％，聚乙二醇为氧化铝超细粉体质量的0.01～10％；
(2)将氧化铝超细粉体置于无水乙醇中，搅拌至形成浆料；向浆料中依次加入氨水、偶联剂和聚乙二醇，搅拌1～10小时，在氨水的作用下，通过表面活性剂对超细氧化铝粉体进行表面改性与分散；其中无水乙醇的用量以完全溶解偶联剂和聚乙二醇为准；
(3)将搅拌后的物料过滤，然后置于无水乙醇中搅拌至少5分钟，使游离的偶联剂溶于无水乙醇中，然后二次过滤分离去除液相，获得氧化铝湿粉体；
(4)在搅拌条件下，将酚醛树脂和氧化铝湿粉体加入到无水乙醇中，继续搅拌使酚醛树脂全部溶解在无水乙醇中，并且全部物料形成糊状体；将糊状体置于烘箱中，在60～200℃条件下烘干去除挥发成分，剩余物料随炉冷却至常温，取出研磨，制成前驱体粉体；其中无水乙醇用量以酚醛树脂全部溶解为准；酚醛树脂与氧化铝超细粉体的摩尔比为0.5～10；
(5)向前驱体粉体中加入氮源尿素或三聚氰胺，研磨混合均匀，制成复合前驱体粉体；其中氮源与氧化铝超细粉体的摩尔比为5～60；
(6)将复合前驱体粉体置于加热炉中，通入惰性气体吹扫将空气驱除；然后在加热炉内气压高于大气压的条件下，升温至950～1500℃，保温2～5小时，进行氮化合成反应；反应后的物料随炉冷却至常温，获得氮化铝粗粉体；
(7)将氮化铝粗粉体置于电阻炉内，在550～650℃条件下保温2～8小时，使残留的碳去除，反应后的物料随炉冷却至常温，再研磨制成氮化铝陶瓷粉体。
2.根据权利要求1所述的基于表面改性低温合成氮化铝陶瓷粉体的方法，其特征在于所述的氮化铝陶瓷粉体粒径为200～1200纳米。
3.根据权利要求1所述的基于表面改性低温合成氮化铝陶瓷粉体的方法，其特征在于所述的惰性气体为氮气或氩气。
4.根据权利要求1所述的基于表面改性低温合成氮化铝陶瓷粉体的方法，其特征在于所述的聚乙二醇的聚合度为2000～20000。
5.根据权利要求1所述的基于表面改性低温合成氮化铝陶瓷粉体的方法，其特征在于步骤(6)中，升温和保温时控制加热炉内气压高于大气压，并小于0.4MPa。
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