DD237153A1

DD237153A1 - Verfahren zur herstellung von aluminiumnitrid hexagonaler struktur

Info

Publication number: DD237153A1
Application number: DD27610285A
Authority: DD
Inventors: Viktor Santi
Original assignee: Immelborn Hartmetallwerk
Priority date: 1985-05-09
Filing date: 1985-05-09
Publication date: 1986-07-02

Abstract

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Herstellung von Aluminiumnitrid hexagonaler Struktur aus Aluminium und Ammoniak nach dem direkten Nitrierungsverfahren in der Form eines Aluminiumnitridpulvers, das als solches oder als Komponente einer Mischung zu Formkoerpern verpresst und durch Sintern verfestigt werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid durch Gluehen von Aluminiumpulver im Ammoniakstrom weiterzuentwickeln. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass eine Pulvermischung aus 10 Teilen Aluminium und 0,5 bis 5 Teilen Ammoniumchlorid in einer stroemenden Ammoniakatmosphaere innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen 250C und 1 500C stufenweise unter Einhaltung von Haltezeiten ueber 0,5 bis 3 Stunden auf jeder Temperaturstufe geglueht und nach Abkuehlung zu Pulver vermahlen wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Herstellung von Aluminiumnitrid hexagonaler Struktur aus Aluminium und Ammoniak nach dem direkten Nitrierungsverfahren in der Form eines Aluminiumnitritpulvers, das als solches oder als Komponente eine Mischung zu Formkörpern verpreßt und durch Sintern verfestigt werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die besonderen physikalischen Eigenschaften des Aluminiumnitrids (AIN), wie hohe thermische Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit, haben zur vielseitigen Verwendung dieser Verbindung in Forschung und Industrie geführt. Große Bedeutung hat dieser Werkstoff für die Technologie von Bauelementen der Elektronik und Elektrotechnik, beispielsweise als Substratwerkstoff und als hochtemperaturfester Werkstoff für Metallverdampfer. Zur Herstellung von Aluminiumnitrid sind im wesentlichen zwei Verfahrensgruppen bekannt, von denen bei der älteren als Ausgangsmaterial Aluminiumoxid verwendet wird, das mit Kohlenstoffpulver in Stickstoff oder Ammoniakgas zu Aluminiumnitrid reduziert wird. Diese Aluminiumoxidreduktionsverfahren, beispielsweise nach der DE-OS 3333406, erfordern einen hohen Energieaufwand in der Reduktionsphase und sind schwierig in der Verfahrensführung der sich anschließenden Nitrierungsphase zu beherrschen. Das nach dieser Verfahrensgruppe hergestellte Aluminiumnitridpulver weist eine unzureichende Reinheit auf, vor allem durch einen verhältnismäßig großen Anteil an nicht umgesetztem Aluminiumoxid. Bei der zweiten Gruppe von Verfahren geht man von metallischem Aluminiumpulver aus, das bei hohen Temperaturen in einer Stickstoff- oder Ammoniakgasatmosphäre nitriert wird. Die Schwierigkeit bei dieser Gruppe von Verfahren besteht darin, daß sich die Partikel des Aluminiumpulvers mit einer Aluminiumoxidschicht überziehen, die der Nitrierung einen erheblichen Widerstand entgegensetzen, so daß sich nicht umgesetztes, metallisches Aluminium im Aluminiumnitrid befindet. Ein solches bekanntes Nitrierungsverfahren zur Herstellung von heißpreßfähigem Aluminiumnitrid ist in der DE-PS 1197439 beschrieben und besteht darin, daß pulverförmiges metallisches Aluminium bei Unterdruck von 10"¹ bis 10~²mm HG oder weniger in strömendem Stickstoff auf Temperaturen zwischen 600⁰C und 850⁰C erwärmt und nach dem Abklingen der Reaktion bei 1400⁰C bis 1 600⁰C bis zu 2 Stunden geglüht wird. Das Nitrieren von Aluminiumpulver in einem Stickstoffstrom ist nicht ausreichendem alle oxidierten Aluminiumpulverpartikel in Aluminiumnitrid zu überführen. Den gleichen Nachteil hat auch das in der DE-PS 11 88052 beschriebene Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid, nach dem man feinverteiltes metallisches Aluminium zusammen mit feinverteiltem Kohlenstoff in Gegenwartvon Stickstoff bei 1 200°Cglüht. Essoll außerdem noch ein Brennprozeß bei etwa 2100⁰C in Argonatmosphäre angeschlossen werden, was an dem minderen Reinheitsgrad des so gewonnenen Aluminiumnitrids nichts wesentliches ändert.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, durch das es möglich ist, Aluminiumnitrid in einfachen Anlagen und mit verhältnismäßig niedrigen Energiekosten herzustellen.

-2- 237 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid durch Glühen von Aluminiumpulver im Ammoniakstrom weiterzuentwickeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Pulvermischung aus 10 Teilen Aluminium und 0,5 bis 5 Teilen Ammoniumchlorid in einer strömenden Ammoniakatmosphäre innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen 250⁰C und 1 500⁰C stufenweise unter Einhaltung von Haltezeiten über 0,5 bis 3 Stunden auf jeder Temperaturstufe geglüht und nach Abkühlung zu Pulver vermählen wird.

Zur Intensivierung des Nitriervorganges ist es zweckmäßig, daß die Pulvermischung von Aluminium und Ammoniumchlorid vor der Glühbehandlung in der Ammoniaksphäre zu Preßlingen geformt wird.

Bei diesem Verfahren kann das metallische Aluminium als feines Pulver oder Schuppen eingesetzt werden.

Es ist auch möglich, daß in der Pulvermischung Ammoniumchlorid bis zu 50% durch Harnstoff ersetzt ist.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, das Temperaturregime so festzulegen, daß bei der stufenweisen Glühbehandlung 2 bis 3 Temperaturstufen unter dem Schmelzpunkt von Aluminium und 2 bis 4 Temperaturstufen oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium liegen.

Günstige Reaktionsbedingungen können dadurch geschaffen werden, daß das Strömungsvolumen der Ammoniakatmosphäre pro cm² Ofenquerschnitt zwischen 2 und 7 l/h liegt.

Erfindungsgemäß wird Ammoniumchlorid deshalb benutzt, weil das infolge thermischer Spaltung frei werdende Chlorwasserstoff bzw. Chlor das Aluminium aktiviert, welches sich bei gleichzeitiger Anwesenheit von Ammoniak oder Stickstoff sofort zu Aluminiumstickstoffverbindungen umsetzt. Das freiwerdende Chlor oder der Chlorwasserstoff können sofort für die Wiederholung der Reaktion beitragen. Damit kann die notwendige Menge des Ammoniumhalogenids relativ niedrig gehalten werden.

So können 10 Teile Aluminium mit 0,5 bis 5 vorzugsweise 2 Teilen Ammoniumchlorid im langsam fließenden Ammoniakstrom 50 bis250l/h oder mehr, je nach Ofenquerschnitt und unterschiedlichen Haltepunkten, bei Temperaturen zwischen 200⁰C und 1 500⁰C zum Aluminiumnitrid umgesetzt werden. Die Ausgangsstoffe Aluminium und Ammoniumchlorid werden gemischt und zu Preßlingen beliebiger Größe, z.B. 40 χ 60 χ 10mm³, 20 x 20 χ 10mm³ oder auch zu Granulaten, weiterverarbeitet. Für die Herstellung von Preßlingen ist ein Preßhilfsmittel nicht unbedingt erforderlich. Granulate können jedoch nach bekannten Verfahren hergestellt werden.

Die Umsetzung kann sowohl nach dem Chargen- als auch Durchschubprinzip erfolgen. Das zweitgenannte Prinzip ist grundsätzlich dann anwendbar, wenn im Ofen unterschiedliche Temperaturzonen einstellbar sind.

Das Ammoniumchlorid kann auch teilweise durch Harnstoff ergänzt werden. In jedem Fall wird ein Produkt erhalten, welches relativ locker ist und sich innerhalb von ca. 30min in einer Mahltrommel zu einem Pulver mittlerer Korngröße um 1-2μ,ηη vermählen läßt.

Der Stickstoffgehalt beträgt 29 bis 33%.

Für die Reinheit des Aluminiumnitrids ist die Qualität der eingesetzten Ausgangsstoffe von ausschlaggebender Bedeutung.

Insofern ist es möglich, Aluminiumnitrid unterschiedlicher Qualität, je nach Verwendungszweck, herzustellen. Insbesondere kann über den Feuchtigkeitsgehalt des Ammoniaks auch der Al2O3-Gehalt des Endproduktes gesteuert werden.

Ausführungsbeispiel

190g Al in Schuppenform — Korngröße 200/63μΐπ—werden mit 40g NH₄CI 20 min lang in einer Mahltrommel gemischt und von den Kugeln getrennt. In einer Preßform wird das Pulver unter einem Druck von 30 bis 40 MPa zu etwa 1 cm hohen-Preßlingen geformt. Diese Preßlinge werden in einen Ofen mit einer Ammoniakatmosphäre eingefahren, dessen Temperatur ca. 320⁰C beträgt. Bis zum Abschluß der Reaktion ist folgendes Reaktionsregime einzuhalten:

Temperatur	Ammoniakmenge	Haltezeit
[⁰C]	[1/hcm²]	[Std.]
320	2	0,50
560	3	0,50
630	4	0,75
750	4	0,75
880	5	0,75
920	5	2,00

Nach Beendigung der Reaktion iot der Ofen auszuschalten. Ist dieTemperatur des Ofens um ca. 100—150⁰C gefallen, so kann der Ammoniakstrom um ca. 50% gedrosselt oder auch durch Stickstoff ersetzt werden.

Das Reaktionsgut kann dann bei beliebiger Temperatur aus dem Ofen entnommen werden. Es ist von graublauer bis schwarzer Farbe, relativ weich und läßt sich innerhalb 30 min in einer Kugelmühle feinmahlen. Die durchschnittliche Korngröße beträgt um 1 fim. Die Analyse zeigt 29 bis 33% Stickstoff. Der Sauerstoffgehalt und andere Verunreingigungen sind abhängig von der Reinheit der Ausgangsprodukte.

Das so erhaltene Aluminiumnitrid kann zwecks weiterer Stabilisierung bzw. Erhöhung der Schüttdichte bis zu 1 500⁰C oder darüber im trockenen Ammoniakstrom erhitzt werden, wobei gleichzeitig auch der Stickstoffgehalt noch ansteigt.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid hexagonaler Struktur aus Aluminium und Ammoniak, dadurch gekennzeichnet, daß eine PuIVermischung aus 10 Teilen Aluminium und 0,5 bis 5 Teilen Ammoniumchlorid in einer strömenden Ammoniakatmosphäre innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen 250⁰C und 1 500°C stufenweise unter Einhaltung von Haltezeiten über 0,5 bis 3 Stunden auf jeder Temperaturstufe geglüht und nach Abkühlung zu Pulver vermählen wird.

2. Verfahren zur Hersteilung von Aluminiumnitrid nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung von Aluminium und Ammoniumchlorid vorder Glühbehandlung in der Ammoniakatmosphäre zu Preßlingen geformt wird.

3. Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid nach den Punkten 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium als feines Pulver oder Schuppen eingesetzt wird.

4. Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid nach den Punkten 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Pulvermischung Ammoniumchlorid bis zu 50% durch Harnstoff ersetzt ist.

5. Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid nach den Punkten 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der stufenweisen 'Glühbehandlung 2 bis 3 Temperaturstufen unter dem Schmelzpunkt von Aluminium und 2 bis 4 Temperaturstufen oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium liegen.

6. Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid nach den Punkten 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsvolumen der Ammoniakatmosphäre pro cm² Ofenquerschnitt zwischen 2 und 7 l/h liegt.