DE1131195B

DE1131195B - Vorrichtung zur Herstellung von Aluminiumnitrid

Info

Publication number: DE1131195B
Application number: DEU7177A
Authority: DE
Inventors: Victor Mandorf Jun
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1959-06-24
Filing date: 1960-05-31
Publication date: 1962-06-14
Also published as: GB896766A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid durch Umsetzung von feinverteiltem Aluminium bei Temperaturen zwischen 800 und 1100° C.

Es ist bekannt, Aluminiumnitrid durch Umsetzung von feinverteiltem Aluminium mit Stickstoff bei erhöhten Temperaturen zu gewinnen, wobei auch bereits die Verteilung des Aluminiums in Bornitrid vorgeschlagen worden war. Die Durchführung dieser bekannten Verfahren ergibt jedoch im allgemeinen Produkte von unbefriedigender Reinheit und Ausbeute. Auch ist die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren meist gering. Man hat daher schon versucht, die Reaktion zwischen Ferroaluminium und Stickstoff durch Zusatz von Aluminiumfluorid zu fördern; doch bewegten sich derartige Zusätze mengenmäßig, dem Begriff der Reaktionsförderung entsprechend, in so niedrigen Grenzen, daß eine Beeinflussung der Struktur des Reaktionsgemisches nicht möglich war.

Es wurde nun gefunden, daß die an sich bekannte Umsetzung von feinverteiltem Aluminium mit Stickstoff sowohl in bezug auf ihren allgemeinen Ablauf als auch auf die Ausbeute und die Reinheit, insbesondere die Sauerstoffreinheit des Aluminiumnitrides, wesentlich verbessert werden kann, wenn das feinverteilte Aluminiummetall in Mischung mit einem Trägermaterial aus Aluminiumnitrid oder/und Aluminiumfluorid umgesetzt wird, wobei das Aluminium zwischen 41,5 und 60 Gewichtsprozent der Mischung ausmacht, und wenn diese Mischung allmählich auf Temperaturen von 1900° C erhitzt wird, wobei der Stickstoff etwa bei 1500° C durch ein Inertgas ersetzt wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Mischung aus 41,5 bis 50 Gewichtsprozent Aluminium, 41,5 bis 33 Gewichtsprozent Aluminiumnitrid und 17 Gewichtsprozent Aluminiumfluorid verwendet und unter den vorgenannten Bedingungen der Umsetzung mit Stickstoff unterworfen.

Zum Unterschied von der bekannten Anwendung des Aluminiumfluorids in kleinen Mengen als Reaktionsförderer, bei der das Fluorid zu einer Vergrößerung der Oberfläche des Reaktionsgemisches praktisch nicht beitragen kann, macht gemäß der vorliegenden Erfindung das Aluminiumfluorid allein oder zusammen mit Aluminiumnitrid einen ganz wesentlichen Teil, bis zur Hälfte oder mehr des gesamten Reaktionsgemisches aus und erhöht so die Porosität des Reaktionsgemisches während der Umsetzung und Erhitzung, so daß die Aluminiumkomponente für den Stickstoff während der Reaktion jederzeit leicht zuVorrichtung zur Herstellung
von Aluminiumnitrid

Anmelder:
Union Carbide Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. Juni 1959 (Nr. 822 425)

Victor Mandorf jun., Fostoria, Ohio (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

gänglich und reaktionsfähig bleibt. Es ist auf diese Weise auch ausgeschlossen, daß das geschmolzene Aluminium wie bei den früheren Verfahren zu größeren Aggregaten zusammenläuft oder Klumpen bildet, die schwer oder gar nicht mehr reagieren.

Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens läßt sich bei der Verwendung von Aluminiumfluorid als Trägerstoff dieses leicht aus der Reaktionsmasse entfernen, indem das Reaktionsprodukt auf die Sublimationstemperatur von Aluminiumfluorid, nämlich bis auf 1400° C, erhitzt wird. In der Möglichkeit, das Aluminiumfluorid abzusublimieren, liegt ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, um so mehr, als das Fluorid bei der Reaktionstemperatur zwischen Aluminium und Stickstoff einen hohen Dampfdruck aufweist und daher beim Voranschreiten der Reaktion die Oberfläche und Porosität des Reaktionsgemisches durch das sublimierende Fluorid in zunehmendem Maße vergrößert werden.

Der hohe exotherme Charakter der Reaktion zwischen Aluminium und Stickstoff kann leicht kontrolliert werden durch Regulierung des Stickstoffflusses in die Reaktionsmasse, und der Temperaturverlauf kann benutzt werden, um die Beendigung der Reaktion anzuzeigen. Bei 825° C liefert die Stickstoff-Aluminium-Reaktion ihre eigene Reaktionswärme, so daß keine äußere Wärmequelle notwendig ist. Bei Reaktionsende fällt die Temperatur, wodurch angezeigt wird, daß die Reaktion beendet ist.

209 609/376

Die Partikelgröße des Aluminium-Ausgangsprodukts hat eine vernachlässigbare Wirkung bezüglich des Umf anges oder der Wirksamkeit des vorliegenden Verfahrens. Bei der praktischen Durchführung der Erfindung werden mit Erfolg Aluminiumpulver benutzt, die eine durchschnittliche Partikelgröße von 20,30 und 120 Mikron aufweisen.

Die Wirkung der Verwendung von Aluminiumnitrid und Aluminiumnitrid - Aluminiumfiuorid - Mischungen als Träger wird in der Zahlentafel dargestellt.

Material	1	Mischungen ( 2	Gewichtsprozent) 3	4
Al (0,71 bis 0,50 mm
Partikeldurchmesser)	50	50	41,5	50
AlN (f einstgemahlen)	—	33	41,5	50
AlF₃ (feinstgemahlen)	50	17	17	—
Reaktions
temperatur, ⁰C	800 bis 1100	800 bis 1100	800 bis 1100	800 bis 1100
Atmosphäre	Stickstoff	Stickstoff	Stickstoff	Stickstoff
Stabilisations-
temperatur, ⁰C	1900	1900	1900	1900
Atmosphäre	Argon	Argon	Argon	Argon
Bemerkungen	Das Reaktionsprodukt	Dasselbe wie 1,	Das Reaktionsprodukt	Das Reaktionsprodukt
	ist hart, weiß,	mit der Ausnahme,	war weich genug,	war sehr weich
	zum Kuchen gesintert.	daß sich das Reaktions	um leicht mit Mörser	und zundrig;
	Vor dem Mahlen	produkt leichter	und Pistill gebrochen	jedoch war es nicht
	mußte das Material	brechen ließ.	zu werden.	weiß, aber hatte eine
	η einem Backenbrecher			hellgraue Farbe —
	gebrochen werden.			wahrscheinlich infolge des von der Reaktions
				kapsel aufgenommenen
				Kohlenstoffs.

Wenn man Aluminiumfiuorid allein als Träger für Aluminium verwendet, verbleibt ein Reaktionsprodukt, das ein hartgesinterter Kuchen ist. Die An- Wesenheit von Aluminiumnitrid in der Anfangsmischung ergibt ein weicheres Reaktionsprodukt. Diese beiden Träger können in irgendeinem gewünschten Verhältnis gemischt werden, um ein Produkt von gegebenen Eigenschaften herzustellen.

Nachfolgend wird ein Beispiel der praktischen Durchführung der Erfindung wiedergegeben.

Wenn die Ofentemperatur etwa 1500° C erreichte, wurde der Stickstoffstrom durch ein inertes Gas, und zwar Argon, ersetzt, das in einer Menge von ungefähr 0,0269 cbm pro Stunde durch die Reaktionskapsel hindurchgeleitet wurde. Dadurch wurde eine übermäßige Erosion der Kapsel und des Ofens verhindert, und außerdem eine mögliche Al₂O₃-Verunreinigung von Aluminiumoxyd aus dem AlN auf Grund folgender Reaktionen entfernt:

Beispiel

1800 g Aluminiumpulver, 1800 g Aluminiumnitridpulver und 600 g Aluminiumtriffluorid wurden in einer Poliertrommel vermischt. Anschließend wurde die Mischung in eine Reaktionskapsel übergeführt und in einen 25-cm-Röhrenofen verbracht. Die Reaktionskapsel war mit einem Einlaßrohr versehen, so daß der Stickstoff in die Kapsel, dann aufwärts durch den perforierten Boden und über das Reaktionsgemisch geführt werden konnte. Eine Stickstoffatmosphäre wurde in dem Ofen erzeugt, und zur gleichen Zeit wurde Stickstoff in einer Menge von ungefähr 0,269 cbm pro Stunde durch das Kapsel-Einlaßrohr eingeleitet .Der Stickstoff kann schnell oder langsam eingeführt werden, abhängig von der gewünschten Reaktionsgeschwindigkeit. Die Ofentemperatur wurde schnell auf 825 bis 850° C gesteigert. Bei dieser Temperatur verlief die Reaktion zwischen Aluminium und Stickstoff von selbst. Die Leistungsaufnahme des Ofens kann reduziert oder ganz abgestellt werden. Die Temperatur sank auf unterhalb 825° C ab, sobald die Reaktion beendet war. Danach wurde die Ofentemperatur langsam auf 1900° C gesteigert und hier 1 Stunde lang gehalten.

AlN
Al₂O,

1900⁰C

>- Al + V₂N₂

—> 3Al₂O (dampfförmig)

Der Ofen wurde unter Argonatmosphäre gekühlt. Das Produkt wurde aus der Reaktionsmasse wie üblich entfernt.

Das gemäß obigem Beispiel erhaltene Produkt betrug 98,5 % der theoretischen Menge. Die Reinheit des Materials betrug 97 %.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid durch Umsetzung von feinverteiltem Aluminium mit Stickstoff bei einer Temperatur von 800 bis 1100° C, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiummetall in einer Mischung mit einem Trägermaterial aus Aluminiumnitrid oder/ und Aluminiumfiuorid umgesetzt wird, wobei das Aluminium zwischen 41,5 und 60 Gewichtsprozent der Mischung ausmacht, und daß diese Mischung allmählich auf Temperaturen von 1900° C erhitzt wird, wobei der Stickstoff etwa bei 1500° C durch ein Inertgas ersetzt wird.

5 6

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- In Betracht gezogene Druckschriften:

kennzeichnet, daß eine Mischung von 41,5 bis Deutsche Patentschrift Nr. 360 038;

50 Gewichtsprozent Aluminium, 41,5 bis 33 Ge- Gmelin, Handbuch der anorganischen Chemie,

wichtsprozent Aluminiumnitrid und 17 Gewichts- 8. Auflage, Aluminium, Teil B, Nachdruck 1953,

prozent Aluminiumfluorid verwendet wird. 5 S. 135.