IT9021811A1 - Procedimento per la preparazione di polveri fini di alluminio nitruro a partire da un flocculante inorganico - Google Patents
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Description
Descrizione
La presente invenzione riguarda un procedimento per la preparazione di polveri fini di alluminio nitruro. L'alluminio nitruro (A1N) ha buona stabilità chimica ed alta conduttività termica.
Queste caratteristiche lo rendono idoneo sia come ceramico funzionale (supporto per circuiti elettronici), sia come ceramico strutturale (componenti sottoposti ad alte temperature e/o ad ambienti aggressivi ).
Materiale di partenza per la preparazione di ceramici di A1N è la polvere opportunamente formata e sinterizzata.
Le caratteristiche del sinterizzato dipendono dalla purezza e dalle dimensioni dei grani della polvere di A1N.
Questa può essere ottenuta con vari metodi:
- sintesi diretta di Al metallico con N2;
nitrurazione in fase gassosa di un composto volatile di Al con N2 e/o ΝΗ3,
riduzione carbotermìca e nitrurazione di un miscuglio di Al2O3 e C a temperature comprese fra 1600 e 1900°C in atmosfera di N2.
Il primo metodo (sintesi diretta) porta ad ottenere una incompleta formazione del nitruro, mentre il secondo (nitrurazione in fase gassosa) presenta un elevato costo di produzione: gli svantaggi dei due detti metodi possono essere almeno in parte ridotti utilizzando l'ultimo metodo.
Con tecniche di preparazione del miscuglio di Al2O3 + C per via chimica si ottiene un miglioramento di tale metodo che consente di ottenere polveri di A1N più pure e di minore granulometria pur operando a temperature di alcune centinaia di gradi inferiori. Lo scopo di tali tecniche è quello di avere i due reagenti a granulometria submicronica ed intimamente dispersi l'uno nell'altro.
Un esempio di metodo chimico di recente applicazione per la preparazione del miscuglio Al2O3 e C è basato sulla idrolisi e precipitazione con ammoniaca di un alcossido di alluminio (isopropilato d'alluminio) in sospensione alcolica nella quale è stata precedentemente dispersa polvere di carbone (ved. US-4643859). Noi ora abbiamo trovato un procedimento basato su un diverso metodo chimico di ottenimento del miscuglio di Al2O3 e C molto più semplice rispetto a quello del brevetto statunitense sopra citato che permette di preparare anch'esso polveri di A1N molto pure ed a bassa granulometria.
Il procedimento oggetto della presente invenzione, per la preparazione di polveri fini di alluminio nitruro (A1N), è caratterizzato dal fatto di utilizzare un flocculente inorganico, in soluzione acquosa, a base di un polialluminio cloruro (PAC) avente la seguente formula strutturale
dove n ed m sono numeri interi positivi, essendo n maggiore di m/3, e dal fatto di comprendere i seguenti stadi:
a) disperdere polvere di carbone o una sostanza in grado di generare carbone nella soluzione contenente un polialluminio cloruro;
b) essiccare la sospensione risultante;
c) ridurre carbotermicamente e nitrurare la polvere ottenuta ad una temperatura da 1350 a 1650°C per un tempo variabile da 1 a 24 ore in atmosfera contenente azoto in modo da ottenere polveri contenenti allumino nitruro;
d) eliminare il carbone da dette polveri mediante calcinazione effettuata ad una temperatura da 600 a 700°C per un tempo da 1 a 7 ore in atmosfera contenente ossigeno.
Il poliallumìnio cloruro, in particolare, dovrebbe avere una basicità espressa in percentuale (m/3n X 100) compresa fra il 30 e l'83%.
La preparazione del flocculente a base di polialluminio cloruro può essere effettuata mediante un attacco di un ossido di alluminio con acido cloridrico concentrato .
Ad esempio possono essere fatte reagire 2 parti in peso di HC1 (35% peso) e 1 parte in peso dì allumina idrata (Al2O3.3H2O) effettuando un riscaldamento in autoclave ad almeno 160°C per 2 ore sotto agitazione ad una pressione intorno alle 6 Atm.
La polvere di carbone che viene dispersa nel flocculante inorganico dovrebbe preferibilmente avere una dimensione dei granì inferiore a 0,1 yum.
La quantità di carbone che viene aggiunta è tale che il rapporto atomico Al/C sia inferiore allo stechiometrico per la reazione:
Il rapporto atomico Al/C è preferibilmente fra 2/3 e 2/5, più preferibilmente 2/4.
Riguardo allo stadio (b), più in particolare, la sospensione risultante potrebbe essere evaporata per ebollizione a pressione ambiente e quindi calcinata fino a circa 300°C oppure, per avere una maggiore eliminazione del cloro, riscaldata fino a circa 850°C in atmosfera inerte.
La polvere ottenuta può essere poi introdotta (stadio C) in un forno a camera tubolare ottenendosi in tal modo la formazione dell'AlN.
La polvere risultante dai trattamenti termici di carboriduzione-nitrurazione può arrivare alle condizioni ottimali di procedimento, ad essere costituita per il 96-98% in peso di A1N e presentare una sola fase cristallina rilevabile agli XRD costituita da A1N e mostrare all'analisi SEM grani di dimensione intorno a 0,5 μm.
Vengono ora forniti alcuni esempi per meglio illustrare l'invenzione, i quali esempi non devono essere considerati una limitazione dell'invenzione stessa. Esempio 1
E' stato utilizzato come flocculente inorganico acquoso un polialluminio cloruro (PAC) avente la formula strutturale sopra descritta con un rapporto atomico Al/Cl 0,6(n/3n-m ≃ 0.6) ed un tenore di alluminio pari a circa 95 g/Kg.
A 100 g di flocculente inorganico acquoso sono stati aggiunti 8,7 g di polvere di carbone. Il rapporto atomico Al/C voluto è di 2/4.
Il carbone viene disperso con ultrasuoni per 10 minuti .
La dispersione risultante viene essiccata per ebollizione a pressione ambiente e quindi per riscaldamento a 200°C.
Il peso risultante è di 43 g.
10 g della polvere ottenuta sono posti in una vaschetta di grafite.
Questa viene introdotta in un forno a camera tubolare in alluminio del diametro interno di 47 non.
Il riscaldamento viene regolato in modo da avere un incremento di temperatura di 500°C/h ed una permanenza alla temperatura di 1550°C per 6 ore. Durante il riscaldamento viene mantenuto all'interno della camera di reazione un flusso di N2 pari a 60 Nl/h.
Dopo raffreddamento la polvere risultante viene ossidata in aria a 650°C per 6 ore.
Le analisi chimiche effettuate sulla polvere finale hanno dato i seguenti risultati:
N2=32,9% ; Al=65.2% ; 02=1,1% ; C=0,07% (le percentuali sono in peso).
L'analisi XRD (raggi X a diffrazione) ha indicato la presenza di una sola fase cristallina che corrisponde ad A1N.
L'analisi SEH (microscopia elettronica a scansione) ha indicato che i grani costituenti la polvere hanno dimensioni pari a circa 0,5 μπι, sono di forma sferoidale e risultano debolmente attaccati l'uno all'altro.
Esempi 2-6
Con campioni del miscuglio preparato come nell'esempio 1 sono state fatte prove di carbonitrurazione per tempi rispettivamente di 1, 2, 3, 4 e 6 ore.
Il trattamento termico finale di ossidazione del carbone è stato uguale per tutti i campioni: 650°C per 6 ore in aria.
Le analisi del tenore di azoto e XRD sono date in Tabella 1.
TABELLA 1
Esempi 7-10 (comparativi)
A 112 g di polvere di Al (OB)3 sono aggiunti 34,8 g della stessa polvere di carbone utilizzata per gli esempi precedenti .
Il rapporto Al/C voluto è di 2/4.
Le polveri sono state miscelate in un mulino a palle per 2 ore.
Campioni del miscuglio risultante sono trattati in forno a 1550°C in N2 fluente a 60 Nl/h per tempi rispettivamente di 1, 3, 4 e 6 ore.
Il trattamento termico finale di ossidazione del carbone in eccesso è uguale per tutti i campioni: 650°C per 6 ore in aria.
Le analisi del tenore di azoto e XRD sono date in Tabella 2.
Tabella 2
Claims (3)
- Rivendicazioni 1) Procedimento per la preparazione di polveri fini di alluminio nitruro (A1N) a partire da un flocculante inorganico caratterizzato dal fatto di utilizzare un flocculente inorganico, in soluzione acquosa, a base di un polialluminio cloruro (PAC) avente la seguente formula strutturaledove n ed m sono numeri interi positivi e n è maggiore di m/3 e caratterizzato dal fatto di comprendere i seguenti stadi: a) disperdere polvere di carbone o una sostanza in grado di generare carbone nella soluzione contenente un polialluminio cloruro; b) essiccare la sospensione risultante; c) ridurre carbotennicamente e nitrurare la polvere ottenuta ad lina temperatura da 1350 a 1650°C per un tempo variabile da 1 a 24 ore in atmosfera contenente azoto in modo da ottenere polveri contenenti alluminio nitruro; d) eliminare il carbone da dette polveri mediante calcinazione effettuata ad una temperatura da 600 a 700°C per un tempo da 1 a 7 ore in atmosfera contenente ossigeno.
- 2) Procedimento come da rivendicazione 1 dove il polialluminio cloruro (PAC) ha una basicità espressa in percentuale (m/3n X 100) compresa fra il 30 e l'83%.
- 3) Procedimento come da rivendicazione 1 dove la polvere di carbone dispersa nel flocculante inorganico ha dimensioni dei grani inferiori a 0,1 μm.
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