JP2005008432A - Method of manufacturing aluminum nitride particle - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化アルミニウム粒子の製造方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、窒化アルミニウムの超微粒子を高純度に製造するための方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化アルミニウム(AlNとも表記する。)は、高熱伝導性や高電気絶縁性などの特長を有し、電子機器内の高放熱性制御基板の材料やエネルギー変換機器内の電気絶縁材料などに利用される。特に窒化アルミニウムの超微粒子(一般にはおよそ粒径100nm以下の粒子を指す。)は、表面積が大きいため活性が高く、AlN焼結体の製造時の焼結温度を低減できるため焼結装置の簡易化や焼結性の向上が期待でき、また、AlN超微粒子をエポキシ樹脂などの有機材料に充填する(いわゆる「ナノコンポジット化」する)場合に集中応力の緩和効果などによる機械強度や熱特性の向上が期待できる等、有用性が高い。
【0003】
従来、アークプラズマ反応装置を用いて金属アルミニウム粉末から窒化アルミニウム超微粒子を製造する方法が提案されている(非特許文献1)。この従来技術では、プラズマガスにアルゴン(Ar)をベースとして水素(H2)および窒素(N2)を混合したガス(Ar:200L(リットル)/min(分)程度,H2:5L/min程度,N2:5L/min程度)を用いて、移行形アークプラズマを発生させ、当該プラズマを加熱源として金属アルミニウム粉末(0.9〜1.6g/min)を加熱蒸発させ、プラズマ下流部のアルミニウム蒸気とプラズマガスとの混合ガスに、急冷ガスとして水素(H2)をベースとしてアンモニア(NH3)を混合したガス(H2:80〜100L/min程度,NH3:0〜20L/min程度,H2とNH3の合計は100L/min)を吹き付けて、AlN超微粒子を得るようにしている。
【0004】
また、特許文献1には、原料としてアルゴン、窒素、水素およびアンモニアの混合ガス並びにアルミニウム粉末を用いる高周波誘導熱プラズマ法による窒化アルミニウムの合成法が開示されている。この特許文献1の実施例には、プラズマガスとしてアルゴン(40L/min)および窒素(10L/min)の混合ガスを、粒径制御ガスとして水素(5L/min以下)を、反応ガスとしてアンモニア(20L/min以下)および水素(20L/min以下)の混合ガスを、それぞれ使用し、プラズマにアルミニウム粉(100g/min)を導入し、上記反応ガス中のアンモニア/水素の流量比が0.1〜70の範囲で100%の窒化率が得られる旨が記載されている。
【0005】
また、特許文献2,3には、窒化アルミニウムとアルミニウムの混合粉を窒素あるいは窒素と不活性ガスの混合ガス中において熱処理して、アルミニウムの表面を窒化させて、窒化アルミニウムの純度を高める方法が開示されている。
【0006】
【非特許文献1】
菊川、牧野:「二次陽極をもつアークプラズマ反応装置による材料合成(第2報)―Al金属粉末からのAlN超微粒子の合成―」、公害資源研究所彙報、Vol.20、No.1、19(1990)
【特許文献1】
特公平6−49566号
【特許文献2】
特開昭62−282635号
【特許文献3】
特開平2−102110号
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献1ではAlN純度が定量化されていないが、同文献中のTable1で示されたXRD結果から判断すると、窒化アルミニウムの純度は高い場合でも70質量%程度と思われる。これは非特許文献1の製造法では、プラズマガスや反応・急冷ガスの種類または反応・急冷ガスを吹き込む温度条件が適切でないため、AlNの生成反応が充分に行なわれないまま未反応のアルミニウムが凝縮して製造粒子中に相当量のアルミニウムが混入してしまい、結果、窒化アルミニウムの純度が実産業での利用(例えば高放熱性制御基板の材料や電気絶縁材料など)に必要な純度(製造粒子中の窒化アルミニウム粒子量が96質量%程度)を大きく下回ってしまっていると思われる。
【0008】
また、特許文献1には反応・急冷ガスを吹き込む温度条件が示されていない。複数種のガスが混在したプラズマの中では複雑な反応が起き、窒化アルミニウムの生成の開始温度や完了温度およびアルミニウムの凝縮温度は、設定条件(ガス種、Alとガスのモル比、圧力)によって変化する。従って、製造装置を大容量化して上記設定条件が変化した場合、AlNの生成反応が充分に行なわれないまま未反応のアルミニウムが凝縮して製造粒子中に相当量のアルミニウムが混入してしまうことが予想され、高純度の窒化アルミニウム粒子を得ることは困難と思われる。
【0009】
さらに、特許文献1で使用している高周波誘導熱プラズマは、電源を含めた装置の大容量化が困難であり、また、プラズマ中に原材料が注入された場合にプラズマが不安定になり易く連続運転が困難である、という問題点がある。
【0010】
また、非特許文献1や特許文献1でのプラズマガスのベースとして使用されているアルゴンガスは高価であり、運転コストが高くなる問題がある。さらに、非特許文献1や特許文献1での急冷ガスには水素が用いられているが、含有水素濃度が4体積%以上のガスは爆発・可燃性ガスとして取り扱う必要がある。このため、プラズマ炉自身およびその周辺機器を防爆仕様にするとともに水素検知器を多数箇所に設置する必要があり、設備コストが高くなる問題がある。
【0011】
また、特許文献2,3のいずれの技術もアルミニウム粉の表面だけを窒化させる方法であるため、アルミニウム粉の内部までは窒化できず、金属アルミニウムが残存してしまい、やはり窒化アルミニウムの純度は実産業での利用に必要な純度を満足しない。さらに、以上のように高純度窒化アルミニウム超微粒子の生産性が低いため、その製造コストが極めて高くなっている問題もある。
【0012】
そこで本発明は、窒化アルミニウム超微粒子を高純度に製造できる方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本願発明者等が種々実験並びに鋭意検討した結果、窒化アルミニウム製造に使用するガスの種類やガスを吹き込む温度条件の選択によって、従来法よりも高純度の窒化アルミニウム超微粒子を製造できることを知見するに至った。請求項1記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法は、かかる知見に基づくものであり、窒素とアルミニウム蒸気とから成る混合ガスに対して、アンモニアガスを吹き込むようにしている。
【0014】
したがって、窒素とアルミニウム蒸気とから成る混合ガスを用いることにより、より高温の状態から窒化アルミニウムの生成反応が開始するので、アルミニウムから窒化アルミニウムへの転換率を高めることができる。そして、窒化アルミニウムの生成反応を促進する反応ガス(窒素源)として、および窒化アルミニウムの超微粒子を得るための急冷ガスとして、アンモニアを用いることにより、アルミニウムの凝縮温度を低下させることができる。これにより、未反応アルミニウムの凝縮を防止でき、金属アルミニウムの混入を防止できる。換言すれば、窒素とアルミニウム蒸気とから成る混合ガスを用い、尚且つこの混合ガスに対して吹き込む反応・急冷ガスにアンモニアを用いることで、「アルミニウムから窒化アルミニウムを生成するために必要な温度領域」を拡大することができる。これにより、高純度(例えば製造粒子中の窒化アルミニウム粒子量が90質量%以上)の窒化アルミニウム超微粒子を得ることができる。
【0015】
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法において、上記混合ガス中の窒素とアルミニウムとが反応して窒化アルミニウムが生成し始める温度と当該生成が完了する温度との間の温度域にある上記混合ガスに、上記アンモニアガスを吹き込むようにしている。
【0016】
窒化アルミニウムの生成開始温度と生成完了温度との間の温度域は、窒化アルミニウムの生成反応が活発に進行する温度領域であり、この温度領域に窒素源であるアンモニアを吹き込むことによりアンモニアが容易に分解して窒素原子(N)を生成し、アルミニウムから窒化アルミニウムへの転換率を高くでき、この結果、高純度の窒化アルミニウム超微粒子を得ることができる。ここで、窒化アルミニウムの生成開始温度と生成完了温度は、例えば窒素ガスの雰囲気にアルミニウムが混在した場の化学平衡計算により算出することが可能であり、反応場の圧力が50kPa、アルミニウムと窒素ガスのモル比が1:50である場合は、AlN生成開始温度は2100℃程度であり、AlN生成完了温度は1700℃程度である。尚、圧力10〜100kPa、アルミニウム1molに対する窒素ガスのモル数10〜100molの場合、AlN生成開始温度の上限値は2200℃程度、AlN生成完了温度の下限値は1500℃程度である。
【0017】
また、請求項3記載の発明は、請求項2記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法において、上記混合ガスの温度が、上記混合ガス中の未反応アルミニウムの凝縮温度よりも高い状態のままで窒化アルミニウムの生成が完了する温度まで下がるように、上記アンモニアガスを吹き込むようにしている。
【0018】
アルミニウムから窒化アルミニウムへの転換率を100%とするためには、AlN生成開始温度からAlN生成完了温度まで温度を下げていく必要がある。一方、AlN生成反応が充分に進んでいない状態で急な冷却が行なわれ、未反応のアルミニウム蒸気が残った状態でアルミニウムの凝縮温度以下となってしまうと、金属アルミニウムの固体が生じ、生成粒子にAl粉が混ざりAlNの純度が低下してしまう。このアルミニウムの凝縮温度は、未反応アルミニウムの割合(Al未反応率)によって大きく変わる。そこで、AlN生成開始温度とAlN生成完了温度の間の温度域にある窒素とアルミニウム蒸気の混合ガスに反応・急冷ガスであるアンモニアガスを吹き込み、アルミニウムと窒素を反応させつつ、混合ガスの温度が、この時のAl未反応率に対応するアルミニウムの凝縮温度以下とならないようにしながら、AlN生成完了温度まで温度を下げていく。これは、例えばアンモニアガスを吹き込む位置、吹き込むアンモニアガスの流量や温度等を調整することにより実現できる。これにより、未反応アルミニウム蒸気の凝縮を防止でき、製造粒子に金属アルミニウムが混入してしまうことを防止できる。尚、AlN超微粒子を得るために、アルミニウムから窒化アルミニウムへの転換率がほぼ100%となった直後に急速に冷却するようにして、AlN粒子の粒成長を防止することが好ましい。
【0019】
また、請求項4記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法は、窒化アルミニウム粒子と金属アルミニウム粒子が混在した粒子をエタノールに通過させるようにしている。したがって、窒化アルミニウム(AlN)とエタノールとの間では化学反応は起きないが、金属アルミニウム(Al)とエタノールとの間では化学反応が起こり、その結果、エトキシドが生成される。即ち、金属アルミニウムだけがエタノールに捕捉され、エタノールを通過した粒子は窒化アルミニウム粒子のみとなる。これにより、製造粒子中の金属アルミニウム粉が除去され、更に高純度(例えば製造粒子中の窒化アルミニウム粒子量が99質量%以上)の窒化アルミニウム超微粒子を製造できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【0021】
図1から図3に本発明の窒化アルミニウム粒子の製造方法の実施の一形態を示す。この窒化アルミニウム粒子の製造方法は、窒素とアルミニウム蒸気とから成る混合ガスに対して、アンモニアガスを吹き込むようにしている。
【0022】
「アルミニウム(Alとも表記する。)から窒化アルミニウム(AlN)を生成するために必要な温度領域」は、窒化アルミニウムが生成される温度領域であることと、未反応アルミニウムの凝縮温度以上であること、が必要である。そこで、本願発明者等は、窒素ガス(N2とも表記する。)またはアンモニアガス(NH3とも表記する。)の雰囲気にアルミニウムが混在した場の化学平衡計算を行い、窒化アルミニウムの生成温度と未反応アルミニウム(金属アルミニウム)の凝縮温度とを算出した。図1に上記化学平衡計算により算出した結果の一例を示す。尚、圧力は50kPa、Alと雰囲気ガス(N2またはNH3)のモル比は1:50とした。
【0023】
図1中の左上りの曲線A,A’が、窒化アルミニウムの生成温度を表し、左側縦軸(AlからAlNへの転換率[%])に対応している。また、同図中の右上りの曲線B,B’が、未反応アルミニウムの凝縮温度を表し、右側縦軸(Al未反応率[%])に対応している。また、同図中の実線の曲線A,Bは雰囲気ガスがN2の場合を示し、破線の曲線A’,B’は雰囲気ガスがNH3の場合を示している。
【0024】
図1中の曲線A,A’は、温度とその温度に基づいた化学平衡計算により求まるAlN転換率との関係を示している。図1の結果から、ガス種を窒素(N2)とする方が、ガス種をアンモニア(NH3)とする場合よりも、AlN生成開始温度(左上りの曲線A,A’においてAlからAlNへの転換率が0%から上昇し始める温度)が高くなる、即ちより高温の状態からAlN生成反応が生じることが分かる。また、図1の結果から、ガス種をアンモニア(NH3)とする方が、ガス種を窒素(N2)とする場合よりも、未反応アルミニウムの凝縮温度が低くなることが分かる。ガス種がNH3の場合に、AlN生成開始温度および未反応アルミニウムの凝縮温度が低下した理由については、NH3の分解によってN2,H2が生成し、Alの分圧が相対的に低くなったためと考えられる。
【0025】
従って、窒素とアルミニウム蒸気とから成る混合ガスを用いることにより、より高温域からAlN生成反応を起こすことができ、AlからAlNへの転換率を高めることができる。そして、AlN生成反応を促進する反応ガス(窒素源)として、および窒化アルミニウムの超微粒子を得るための急冷ガスとして、アンモニアを用いることにより、アルミニウムの凝縮温度が低下し、これにより未反応アルミニウムの凝縮を防止でき、金属アルミニウムの混入を防止できる。換言すれば、窒素とアルミニウム蒸気とから成る混合ガスを用い、尚且つこの混合ガスに対して吹き込む反応・急冷ガスにアンモニアを用いることで、「アルミニウムから窒化アルミニウムを生成するために必要な温度領域」を拡大することができる。これにより、高純度(例えば製造粒子中の窒化アルミニウム粒子量が90質量%以上)の窒化アルミニウム超微粒子を得ることができる。
【0026】
ここで、窒化アルミニウム粒子の製造には、アークプラズマの利用が好ましい。アークプラズマは超高温(例えば10000℃程度)で且つ高温領域を長くできる特長を持ち、窒化アルミニウム超微粒子を大量且つ連続的に製造することが可能となり、ひいては従来極めて高価であった窒化アルミニウム超微粒子のコストダウンも期待できるからである。また、高周波誘導熱プラズマ法とは異なり、電源を含めた装置の大容量化が容易であり、さらに、プラズマ中に原材料が注入された場合もプラズマは安定であり連続運転が容易である、という利点もある。例えば本実施形態では、プラズマガス(トーチガス、Al搬送ガスとも呼ぶ。)に窒素ガス(N2)を用いて、アークプラズマを発生させ、プラズマの上流もしくは上方側より金属アルミニウム(アルミニウム粉)を注入し、プラズマを加熱源として金属アルミニウムを加熱蒸発させ、窒素とアルミニウム蒸気とから成る混合ガスを発生させ、プラズマの下流もしくは下方側にてこの混合ガスに冷却・反応ガスとしてアンモニアガスを吹き付けて、窒化アルミニウムの超微粒子を製造するようにする。
【0027】
ここで、窒素とアルミニウム蒸気とから成る混合ガスに対して、アンモニアガスを吹き込むタイミングとしては、混合ガスの温度が、「窒素原子(Nとも表記する。)とアルミニウム(Al)が反応して窒化アルミニウムが生成し始める温度(AlN生成開始温度)と当該生成が完了する温度(AlN生成完了温度)との間の温度域」にあることが好ましい。ガス種がN2、反応場の圧力が50kPa、AlとN2ガスのモル比が1:50である図1の例では、AlN生成開始温度は2100℃程度であり、AlN生成完了温度は1700℃程度である。つまり図1の例においては、窒素とアルミニウム蒸気とから成る混合ガスの1700℃〜2100℃の箇所にアンモニアガスを吹き込むことが好ましい。
【0028】
AlNの生成開始温度と生成完了温度との間の温度域は、窒化アルミニウムの生成反応が活発に進行する温度領域であり、この温度領域に窒素源であるアンモニアを吹き込むことにより、アルミニウムの凝縮温度が低下して未反応アルミニウムの凝縮が防止されるとともに、当該吹き込んだアンモニアが容易に分解して窒素原子(N)を生成し、AlからAlNへの転換率を更に高く(ほぼ100%に)できる。尚、AlNの生成開始温度と生成完了温度は、反応場の圧力やAlと雰囲気ガスのモル比によって変化するが、化学平衡計算によって理論値を算出することが可能である。例えば、圧力を10〜100kPa、アルミニウム1molに対する雰囲気ガスのモル数を10〜100molと変えて計算ところ、AlN生成開始温度の上限値は2200℃程度、AlN生成完了温度の下限値は1500℃程度であった。
【0029】
ここで、AlNへの転換率を100%とするためには、AlN生成開始温度からAlN生成完了温度まで温度を下げていく必要があるが、AlN生成反応に必要な時間と冷却速度との関係から、AlN生成反応が充分に進んでいない状態で急な冷却が行なわれると、未反応のAl蒸気が残った状態でAlの凝縮温度以下となってしまう場合がある。この場合、金属Alの固体(粉)が生じ、アンモニアガスを吹き込んでも固体のAl粉は反応せず、生成粒子にAl粉が混ざりAlNの純度が低下してしまう。このためAlN純度を高めるためには、Al蒸気とNが充分に反応するまではゆっくりと冷却して充分なAlN生成反応時間(滞留時間)を確保し、未反応のAl蒸気を残さないようにする必要がある。例えば図1の条件に該当する場合では、アンモニアガスを吹き込むことにより、1700℃〜2100℃の温度域から徐々に温度を下げて、例えば1200〜1600℃の温度領域を保持するようにする。これは、AlN生成反応が順調に進みAlN純度が例えば90質量%程度と高い状態であったとしても、1200〜1600℃ではまだ未反応Alが凝縮する温度領域であるので、慎重に反応を進める必要があるためである。一方、そのまま徐冷を続けると、AlN粒子が衝突を頻繁に繰り返して大きく成長してしまい、超微粒子が得られない。このためAlN超微粒子を得るためには、AlからAlNへの転換率がほぼ100%となった直後に急速に冷却する必要がある。
【0030】
図1に示すように、Alの凝縮温度は未反応のAlの割合によって大きく変わる。以上のことから、Al蒸気から高純度のAlNを得るためには、AlN生成開始温度(例えば2100℃程度)とAlN生成完了温度(例えば1700℃程度)の間の温度域にあるN2・Al蒸気混合ガスに反応・急冷ガスであるNH3を吹き込み、AlとNを反応させつつ、混合ガスの温度が、この時のAl未反応率に対応するAlの凝縮温度以下とならないようにしながら、AlN生成完了温度まで温度を下げていくことが重要である。このため例えば本実施形態では、窒素とアルミニウム蒸気の混合ガスの温度が、この混合ガスに含まれる未反応アルミニウムの凝縮温度よりも高い状態のままで窒化アルミニウムの生成が完了する温度まで下がるように、アンモニアガスを吹き込むようにしている。これは、例えばアンモニアガスを吹き込む位置、吹き込むアンモニアガスの流量や温度等を調整することにより実現できる。尚、AlN超微粒子を得るために、アルミニウムから窒化アルミニウムへの転換率がほぼ100%となった直後に急速に冷却するようにして、AlN粒子の粒成長を防止することが好ましい。
【0031】
図2に、アークプラズマを利用した窒化アルミニウム粒子の製造装置の一例を示す。この製造装置1は、内部に陰極2を備えるとともにプラズマガスが供給されるプラズマトーチ3と、陰極2との間で移行形直流アークプラズマ4を発生させる陽極5と、陰極2と陽極5との間で生ずるアークプラズマ4の下流に設けられるとともに反応・急冷ガスの吹き出し口6を備える回収筒7と、プラズマトーチ3および陽極5および回収筒7を支持するとともに閉塞された室を形成するチャンバ9と、回収筒7とガス流通管8で接続される真空ポンプ10を備えている。さらに、例えば本実施形態の製造装置1は、回収筒7と真空ポンプ10の間にエタノール入りタンク11およびフィルタ12を介在させるようにしている。
【0032】
陰極2は、例えばパイプ状の酸化ランタン入りタングステン製としている。また、陽極5は、例えば棒状のグラファイト製としている。また、プラズマトーチ3は例えば可動式として(図2中の矢印C参照)、陰極2と陽極5との間の距離を調整できるようにしている。原材料となる金属アルミニウム粉はプラズマガス(窒素)に搬送されてパイプ状陰極2の内部に導入される。図2中の符号13はプラズマガスの流れを表し、符号14は金属アルミニウム粉の流れを表している。これにより、陰極2と陽極5の間で発生するアークプラズマ4の軸方向に金属アルミニウム粉が注入される。アークプラズマ4の電流や長さ等は、プラズマ4中でAl粉が全量蒸発するように設定する。超高温(例えば10000℃程度)のプラズマ4中でAl粉が全量蒸発することにより、プラズマ4の下流部(陽極5付近)ではN2とAl蒸気の混合ガスが生成される。当該陽極5付近はプラズマ4の終端部であるので、N2・Al蒸気混合ガスの温度は5000℃程度となっている。N2・Al蒸気混合ガスは更に下流域に進むにつれて、その場の温度が5000℃から1000℃程度まで低下していく。回収筒7の先端部分の内周には反応・急冷ガス(アンモニア)の円環状吹き出し口6が設けられている。図2中の符号15は反応・急冷ガスの流れを表している。回収筒7は例えば可動式として(図2中の矢印D参照)、回収筒7の先端部(反応・急冷ガス吹き出し口6)と陽極5との間の距離を調整できるようにしている。回収筒7の位置を変えることによって、反応・急冷ガスの吹き込み箇所の温度や、AlN生成反応時間(AlとNとの反応時間)等を制御できる。回収筒7を陽極5に近づけるほど、反応・急冷ガスを吹き込む箇所の温度は高くなり、AlN生成反応時間は短くなる。一方、回収筒7を陽極5から遠ざけるほど、反応・急冷ガスの吹き込み箇所の温度は低くなり、AlN生成反応時間は長くなる。
【0033】
以上の構成によって、窒素とアルミニウム蒸気とから成る混合ガスに対して、アンモニアガスが吹き込まれて、高純度(例えば製造粒子中の窒化アルミニウム粒子量が90質量%以上)の窒化アルミニウム超微粒子が製造される。さらに、回収筒7を通過したガスはエタノール入りタンク11およびフィルタ12を経て、真空ポンプ10より排気される。図2中の符号16は排ガスの流れを表している。窒化アルミニウム(AlN)とエタノールとの間では化学反応は起きないが、金属アルミニウム(Al)とエタノールとの間では化学反応が起こり、その結果、エトキシドが生成される。即ち、金属アルミニウムだけがエタノールに捕捉され、エタノールを通過した粒子は窒化アルミニウム粒子のみとなる。これにより、製造粒子をエタノールに通過させることで、製造粒子中の金属アルミニウム粉が除去され、更に高純度(例えば製造粒子中の窒化アルミニウム粒子量が99質量%以上)の窒化アルミニウム超微粒子を製造できる。尚、図示は省略するが排ガス浄化装置として水入りタンクを更に設けても良い。水はアンモニアを非常に良く吸収するので、ここに排ガスをバブリングさせることにより排ガスからアンモニアを除去できる。尚、ガス中の不純物は製造粒子中の不純物となるおそれがあるので、窒素及びアンモニアガスの純度は高い方が望ましい。
【0034】
【実施例】
<実施例1>
図2に示す装置1を用いて、窒化アルミニウム超微粒子を実際に製造した。原材料となる金属アルミニウム粉は、福田金属箔粉工業製の粉(Al−At−350、平均粒径20μm前後、形状:紡錘状)を用いた。アーク電流は140A一定、プラズマ長は75mm一定とした。陽極5と回収筒7先端との間の距離は75mm一定として、AlとNとの反応時間を確保するようにした。反応・急冷ガスの吹き込み箇所の温度は1300℃程度であった。プラズマガスは窒素(N2,純度99.9体積%以上)とし、流量はパイプ状陰極2の内部で10L/min、パイプ状陰極2の周囲で10L/minとした。反応・急冷ガスは室温(20℃前後)のアンモニア(NH3,純度99.9体積%以上)とし、流量は20L/minとした。Al粉はパイプ状陰極2の内部に供給し、供給量は0.5g/min一定とした。チャンバ9内の圧力は概ね30〜50kPaであった。
【0035】
回収筒7の先端部分(図2の符号17参照)に付着した粉(粒子)を回収したところ、純度90質量%程度の窒化アルミニウム超微粒子(平均粒径30nm程度)であることが確認された。さらに、エタノール入りタンク11を通過してフィルタ12に付着した粉(粒子)を回収したところ、純度99質量%以上の窒化アルミニウム超微粒子(平均粒径30nm程度)であることが確認された。
【0036】
本実施例の反応・急冷ガスの吹き込み箇所の温度は1300℃程度と低めであったが、AlN純度は90質量%程度と比較的高純度であった。これは、回収筒7よりも上流位置である陽極5と回収筒7先端との間の高温空間(1500〜5000℃程度)においてAlとNとの反応が進み、また、回収筒7先端の直上で一部NH3が存在したためにAlの凝縮温度が低下し、AlN純度が高くなったものと考えられる。回収筒7の位置を陽極5に更に近づければ、反応・急冷ガスの吹き込み箇所の温度を、AlN生成開始温度(2100℃程度)とAlN生成完了温度(1700℃程度)の間の温度域に設定できるので、更に高純度のAlN超微粒子が得られる可能性がある。
【0037】
<実施例2>
図2に示す装置1を用い、プラズマガスまたは反応・急冷ガスを100%窒素ガス、100%アンモニアガス、窒素50体積%とアンモニア50体積%の混合ガスと変化させて窒化アルミニウム超微粒子を製造し、各場合で製造された粒子のAlN純度を調べた。尚、他の条件は実施例1と同様とした。結果を図3に示す。同図中の△印のプロットおよび符号Eで示す曲線がプラズマガスを表し、同図中の○印のプロットおよび符号Fで示す曲線が反応・急冷ガスを表す。図3から、プラズマガスは、アンモニアを含まず窒素のみである方がAlN純度が高くなることが確認できる。また、反応・急冷ガスは、窒素を含まずアンモニアのみである方がAlN純度が高くなることが確認できる。
【0038】
以上のように、本発明によれば、高熱伝導性や高電気絶縁性などの特長を持つ高機能材料である窒化アルミニウム超微粒子を極めて高純度に製造できる。窒化アルミニウム超微粒子は高放熱性制御基板の材料やエネルギー変換機器内の電気絶縁材料に利用でき、電子機器やエネルギー変換機器のコンパクト化および高効率化に大いに貢献できる。
【0039】
また、プラズマガスを窒素ガスのみとすることで、比較的高価なアルゴンガスをベースとした従来のプラズマガスを用いた場合よりも運転コストが安価になる。また、反応・急冷ガスをアンモニアガスのみとすることで、水素をベースとした従来の急冷ガスを用いた場合よりも設備コストを安価にできる。水素は分子量が小さいため漏洩しやすく、また、含有水素の濃度が4体積%以上のガスは爆発・可燃性ガスとして取り扱う必要があるので、水素をベースとした急冷ガスを採用する場合、プラズマ炉自身およびその周辺機器を防爆仕様にするとともに水素検知器を多数箇所に設置する必要があるが、アンモニアガスを用いる場合はそのような措置は必要はない。尚、NH3の熱伝導率はH2のそれと同等であり、NH3だけでも急冷効果は充分にあると考えられる。
【0040】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、未反応Alが残存しないようにAlN生成反応時間を充分に確保し、且つAlからAlNへの転換率がほぼ100%となった直後に急速に冷却するための構成として、アンモニアガスの吹き込みを多段階で行なったり(例えば上段では反応ガス(窒素源)として比較的高温のアンモニアガスを吹き込み、下段では冷却ガスとして比較的低温のアンモニアガスを吹き込む)、Al蒸気含有ガスをほぼ一定温度に保持するための加熱装置をアークプラズマ4の下流側に別途設ける等しても良い。
【0041】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項1記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法によれば、窒素とアルミニウム蒸気とから成る混合ガスに対して、アンモニアガスを吹き込むので、アルミニウムから窒化アルミニウムを生成するために必要な温度領域を拡大でき、高純度(例えば製造粒子中の窒化アルミニウム粒子量が90質量%以上)の窒化アルミニウム超微粒子を得ることができる。
【0042】
さらに、請求項2記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法によれば、窒化アルミニウムの生成反応が活発に進行する温度領域にある混合ガスにアンモニアガスを吹き込むので、AlからAlNへの転換率を高くでき、この結果、高純度の窒化アルミニウム超微粒子を得ることができる。
【0043】
さらに、請求項3記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法によれば、混合ガスの温度が、未反応アルミニウムの凝縮温度よりも高い状態のままで窒化アルミニウムの生成が完了する温度まで下がるように、アンモニアガスを吹き込むので、未反応のAl蒸気が凝縮して製造粒子に金属アルミニウムが混入してしまうことを防止できる。
【0044】
さらに、請求項4記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法によれば、製造粒子をエタノールに通過させるので、製造粒子中の金属アルミニウム粉が除去され、更に高純度(例えば製造粒子中の窒化アルミニウム粒子量が99質量%以上)の窒化アルミニウム超微粒子を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】窒化アルミニウムの生成温度と未反応アルミニウムの凝縮温度の一例を示すグラフである。
【図2】窒化アルミニウム粒子の製造装置の一例を示す概略構成図である。
【図3】プラズマガスおよび反応・冷却ガスの成分を変化させた場合の窒化アルミニウム純度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1 窒化アルミニウム粒子の製造装置
2 陰極
3 プラズマトーチ
4 アークプラズマ
5 陽極
6 反応・冷却ガスの吹き出し口
7 回収筒
8 ガス流通管
9 チャンバ
10 真空ポンプ
11 エタノール入りタンク
12 フィルタ
13 窒素ガスの流れ
14 金属アルミニウム粉の流れ
15 アンモニアガスの流れ
16 排ガスの流れ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing aluminum nitride particles. More specifically, the present invention relates to a method for producing ultrafine aluminum nitride particles with high purity.
[0002]
[Prior art]
Aluminum nitride (also referred to as AlN) has features such as high thermal conductivity and high electrical insulation, and is used as a material for high heat dissipation control boards in electronic equipment and electrical insulation materials in energy conversion equipment. The In particular, ultrafine particles of aluminum nitride (generally particles having a particle size of about 100 nm or less) have high activity due to their large surface area, and can reduce the sintering temperature during the production of an AlN sintered body, thus simplifying the sintering apparatus. In addition, when AlN ultrafine particles are filled in an organic material such as an epoxy resin (so-called “nanocomposite”), the mechanical strength and thermal properties are reduced due to the relaxation effect of concentrated stress. It is highly useful because it can be expected to improve.
[0003]
Conventionally, a method for producing aluminum nitride ultrafine particles from metal aluminum powder using an arc plasma reactor has been proposed (Non-Patent Document 1). In this prior art, the plasma gas is based on argon (Ar) as a base and hydrogen (H 2 ) And nitrogen (N 2 ) Mixed gas (Ar: about 200 L (liter) / min (minute), H 2 : About 5 L / min, N 2 : About 5 L / min), a transitional arc plasma is generated, and the metal aluminum powder (0.9 to 1.6 g / min) is heated and evaporated using the plasma as a heating source. Hydrogen (H 2 ) Based on ammonia (NH 3 ) Mixed gas (H 2 : About 80 to 100 L / min, NH 3 : 0 to about 20 L / min, H 2 And NH 3 Are sprayed at 100 L / min) to obtain AlN ultrafine particles.
[0004]
Patent Document 1 discloses a method of synthesizing aluminum nitride by a high frequency induction thermal plasma method using a mixed gas of argon, nitrogen, hydrogen and ammonia and aluminum powder as raw materials. In the example of Patent Document 1, a mixed gas of argon (40 L / min) and nitrogen (10 L / min) is used as a plasma gas, hydrogen (5 L / min or less) is used as a particle size control gas, and ammonia ( A mixed gas of 20 L / min or less and hydrogen (20 L / min or less) is used, respectively, and aluminum powder (100 g / min) is introduced into the plasma. The flow rate ratio of ammonia / hydrogen in the reaction gas is 0.1. It is described that a nitriding rate of 100% can be obtained in the range of ˜70.
[0005]
In
[0006]
[Non-Patent Document 1]
Kikukawa, Makino: "Material synthesis by arc plasma reactor with secondary anode (2nd report) -Synthesis of AlN ultrafine particles from Al metal powder-" Pollution Resources Institute Vocabulary, Vol. 20, no. 1, 19 (1990)
[Patent Document 1]
No. 6-49566
[Patent Document 2]
JP-A-62-282635
[Patent Document 3]
JP-A-2-102110
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, AlN purity is not quantified in Non-Patent Document 1, but judging from the XRD result indicated by Table 1 in the same document, it seems that the purity of aluminum nitride is about 70% by mass even when the purity is high. This is because in the manufacturing method of Non-Patent Document 1, the kind of plasma gas or reaction / quenching gas or the temperature condition for blowing reaction / quenching gas is not appropriate. Condensation causes a substantial amount of aluminum to be mixed in the manufactured particles. As a result, the purity of aluminum nitride is necessary for practical use (for example, high heat dissipation control board materials and electrical insulating materials) (manufacturing) It seems that the amount of aluminum nitride particles in the particles is much lower than about 96% by mass).
[0008]
Further, Patent Document 1 does not show temperature conditions for blowing reaction / quenching gas. A complex reaction occurs in a plasma in which multiple types of gas are mixed, and the start temperature and completion temperature of aluminum nitride generation and the condensation temperature of aluminum depend on the set conditions (gas type, Al to gas molar ratio, pressure). Change. Therefore, when the capacity of the production apparatus is increased and the above setting conditions are changed, unreacted aluminum is condensed without sufficiently producing AlN, and a considerable amount of aluminum is mixed in the produced particles. Therefore, it seems difficult to obtain high-purity aluminum nitride particles.
[0009]
Furthermore, it is difficult for the high frequency induction thermal plasma used in Patent Document 1 to increase the capacity of a device including a power source, and the plasma tends to become unstable when raw materials are injected into the plasma. There is a problem that it is difficult to drive.
[0010]
Moreover, the argon gas used as the base of the plasma gas in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 is expensive, and there is a problem that the operating cost is increased. Furthermore, although hydrogen is used for the quenching gas in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, a gas having a hydrogen concentration of 4% by volume or more needs to be handled as an explosive / flammable gas. For this reason, it is necessary to make the plasma furnace itself and its peripheral equipment explosion-proof, and to install hydrogen detectors at a number of locations, which increases the equipment cost.
[0011]
In addition, since both of the techniques of
[0012]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method capable of producing aluminum nitride ultrafine particles with high purity.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the inventors of the present application have conducted various experiments and intensive studies. As a result, by selecting the type of gas used for producing aluminum nitride and the temperature conditions for blowing the gas, ultrafine aluminum nitride particles having a purity higher than that of the conventional method are obtained. It came to know that can be manufactured. The method for producing aluminum nitride particles according to claim 1 is based on such knowledge, and ammonia gas is blown into a mixed gas composed of nitrogen and aluminum vapor.
[0014]
Therefore, by using a mixed gas composed of nitrogen and aluminum vapor, the formation reaction of aluminum nitride starts from a higher temperature state, so that the conversion rate from aluminum to aluminum nitride can be increased. And the condensation temperature of aluminum can be lowered | hung by using ammonia as a reaction gas (nitrogen source) which accelerates | stimulates the production | generation reaction of aluminum nitride, and as a quenching gas for obtaining the ultrafine particle of aluminum nitride. Thereby, condensation of unreacted aluminum can be prevented and mixing of metal aluminum can be prevented. In other words, by using a mixed gas composed of nitrogen and aluminum vapor and using ammonia as a reaction / quenching gas blown into the mixed gas, a temperature range necessary for producing aluminum nitride from aluminum is obtained. Can be expanded. Thereby, ultra-fine aluminum nitride particles with high purity (for example, the amount of aluminum nitride particles in the manufactured particles is 90% by mass or more) can be obtained.
[0015]
The invention according to
[0016]
The temperature range between the production start temperature and the production completion temperature of aluminum nitride is a temperature range where the production reaction of aluminum nitride proceeds actively, and ammonia can be easily produced by blowing ammonia as a nitrogen source into this temperature range. It decomposes to generate nitrogen atoms (N), and the conversion rate from aluminum to aluminum nitride can be increased. As a result, high-purity aluminum nitride ultrafine particles can be obtained. Here, the production start temperature and the production completion temperature of aluminum nitride can be calculated, for example, by chemical equilibrium calculation in a case where aluminum is mixed in an atmosphere of nitrogen gas, the reaction field pressure is 50 kPa, and aluminum and nitrogen gas. Is 1:50, the AlN generation start temperature is about 2100 ° C., and the AlN generation completion temperature is about 1700 ° C. In addition, when the pressure is 10 to 100 kPa and the mole number of nitrogen gas is 10 to 100 mol with respect to 1 mol of aluminum, the upper limit of the AlN generation start temperature is about 2200 ° C., and the lower limit of the AlN generation completion temperature is about 1500 ° C.
[0017]
The invention according to
[0018]
In order to set the conversion rate from aluminum to aluminum nitride to 100%, it is necessary to lower the temperature from the AlN production start temperature to the AlN production completion temperature. On the other hand, if the AlN formation reaction is not sufficiently advanced, rapid cooling is performed, and if the unreacted aluminum vapor remains and the temperature is below the condensation temperature of aluminum, a solid metal aluminum is produced, and the generated particles Al powder is mixed in and the purity of AlN is lowered. The condensation temperature of aluminum greatly varies depending on the proportion of unreacted aluminum (Al unreacted rate). Therefore, ammonia gas, which is a reaction / quenching gas, is blown into the mixed gas of nitrogen and aluminum vapor in the temperature range between the AlN generation start temperature and the AlN generation completion temperature, and the temperature of the mixed gas is made to react with aluminum and nitrogen. The temperature is lowered to the AlN generation completion temperature while keeping the temperature below the condensation temperature of aluminum corresponding to the Al unreacted rate at this time. This can be realized, for example, by adjusting the position where the ammonia gas is blown, the flow rate or temperature of the blown ammonia gas, and the like. Thereby, condensation of unreacted aluminum vapor | steam can be prevented and it can prevent that metallic aluminum mixes in manufacture particle | grains. In order to obtain AlN ultrafine particles, it is preferable to prevent the growth of AlN particles by rapidly cooling immediately after the conversion rate from aluminum to aluminum nitride reaches almost 100%.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for producing aluminum nitride particles, wherein particles in which aluminum nitride particles and metal aluminum particles are mixed are passed through ethanol. Therefore, a chemical reaction does not occur between aluminum nitride (AlN) and ethanol, but a chemical reaction occurs between metal aluminum (Al) and ethanol, and as a result, ethoxide is generated. That is, only metallic aluminum is captured by ethanol, and the particles that have passed through ethanol are only aluminum nitride particles. Thereby, the metal aluminum powder in the manufactured particles is removed, and aluminum nitride ultrafine particles with higher purity (for example, the amount of aluminum nitride particles in the manufactured particles is 99% by mass or more) can be manufactured.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
[0021]
1 to 3 show an embodiment of the method for producing aluminum nitride particles of the present invention. In this method for producing aluminum nitride particles, ammonia gas is blown into a mixed gas composed of nitrogen and aluminum vapor.
[0022]
“Temperature range necessary for producing aluminum nitride (AlN) from aluminum (also referred to as Al)” is a temperature region where aluminum nitride is produced and is equal to or higher than the condensation temperature of unreacted aluminum. ,is required. Therefore, the inventors of the present application have identified nitrogen gas (N 2 Also written. ) Or ammonia gas (NH 3 Also written. The chemical equilibrium calculation of the field where aluminum was mixed in the atmosphere was performed to calculate the formation temperature of aluminum nitride and the condensation temperature of unreacted aluminum (metallic aluminum). FIG. 1 shows an example of the result calculated by the above chemical equilibrium calculation. The pressure is 50 kPa, Al and atmospheric gas (N 2 Or NH 3 ) Molar ratio was 1:50.
[0023]
The curves A and A ′ on the left in FIG. 1 represent the formation temperature of aluminum nitride, and correspond to the left vertical axis (conversion rate from Al to AlN [%]). In addition, upper right curves B and B ′ in the figure represent the condensation temperature of unreacted aluminum and correspond to the right vertical axis (Al unreacted rate [%]). In addition, the solid curves A and B in FIG. 2 The dashed curves A ′ and B ′ show the case where the atmospheric gas is NH 3 Shows the case.
[0024]
Curves A and A ′ in FIG. 1 show the relationship between the temperature and the AlN conversion rate obtained by chemical equilibrium calculation based on the temperature. From the results of FIG. 1, the gas species is nitrogen (N 2 ), The gas species is ammonia (NH 3 ), The AlN generation start temperature (the temperature at which the conversion rate from Al to AlN starts to increase from 0% in the left-upward curves A and A ′) becomes higher, that is, the AlN generation reaction from a higher temperature state. It turns out that occurs. Further, from the results of FIG. 1, the gas species is ammonia (NH 3 ) Is nitrogen (N 2 It can be seen that the condensation temperature of the unreacted aluminum is lower than in the case of). Gas type is NH 3 In the case of NH, the reason why the AlN formation start temperature and the condensation temperature of unreacted aluminum are reduced is NH. 3 Decomposition of N 2 , H 2 This is thought to be because the partial pressure of Al was relatively low.
[0025]
Therefore, by using a mixed gas composed of nitrogen and aluminum vapor, an AlN generation reaction can be caused from a higher temperature range, and the conversion rate from Al to AlN can be increased. And by using ammonia as a reaction gas (nitrogen source) for promoting the AlN formation reaction and as a quenching gas for obtaining ultrafine particles of aluminum nitride, the condensation temperature of aluminum is lowered, thereby Condensation can be prevented, and mixing of metal aluminum can be prevented. In other words, by using a mixed gas composed of nitrogen and aluminum vapor and using ammonia as a reaction / quenching gas blown into the mixed gas, a temperature range necessary for producing aluminum nitride from aluminum is obtained. Can be expanded. Thereby, ultra-fine aluminum nitride particles with high purity (for example, the amount of aluminum nitride particles in the manufactured particles is 90% by mass or more) can be obtained.
[0026]
Here, for the production of aluminum nitride particles, it is preferable to use arc plasma. Arc plasma has the feature that it is ultra-high temperature (for example, about 10000 ° C.) and can extend the high-temperature region, and it becomes possible to continuously produce a large amount of aluminum nitride ultrafine particles, which in turn has been extremely expensive. This is because the cost can be expected to be reduced. Also, unlike the high-frequency induction thermal plasma method, it is easy to increase the capacity of the device including the power source, and further, when the raw material is injected into the plasma, the plasma is stable and easy to operate continuously. There are also advantages. For example, in this embodiment, nitrogen gas (N) is used as plasma gas (also referred to as torch gas or Al carrier gas). 2 ) To generate an arc plasma, inject metal aluminum (aluminum powder) from the upstream or upper side of the plasma, heat and evaporate the metal aluminum using the plasma as a heating source, and create a mixed gas composed of nitrogen and aluminum vapor. Then, ammonia gas is sprayed as a cooling / reaction gas on the mixed gas downstream or below the plasma to produce ultrafine aluminum nitride particles.
[0027]
Here, with respect to the mixed gas composed of nitrogen and aluminum vapor, the timing of injecting the ammonia gas is that the temperature of the mixed gas is “nitrogen atoms (also referred to as N)” and aluminum (Al) react and nitride. It is preferably in the “temperature range between the temperature at which aluminum starts to be generated (AlN generation start temperature) and the temperature at which the generation is completed (AlN generation completion temperature)”. Gas type is N 2 The reaction field pressure is 50 kPa, Al and N 2 In the example of FIG. 1 where the gas molar ratio is 1:50, the AlN generation start temperature is about 2100 ° C., and the AlN generation completion temperature is about 1700 ° C. That is, in the example of FIG. 1, it is preferable to blow ammonia gas into a portion of the mixed gas composed of nitrogen and aluminum vapor at a temperature of 1700 ° C. to 2100 ° C.
[0028]
The temperature range between the production start temperature and the production completion temperature of AlN is a temperature range in which the production reaction of aluminum nitride proceeds actively. By blowing ammonia as a nitrogen source into this temperature range, the condensation temperature of aluminum And the unreacted aluminum is prevented from condensing, and the blown ammonia is easily decomposed to generate nitrogen atoms (N), thereby further increasing the conversion rate from Al to AlN (approximately 100%). it can. Although the AlN production start temperature and production completion temperature vary depending on the reaction field pressure and the molar ratio of Al to the atmospheric gas, theoretical values can be calculated by chemical equilibrium calculation. For example, when the pressure is changed to 10 to 100 kPa and the number of moles of atmospheric gas relative to 1 mol of aluminum is changed to 10 to 100 mol, the upper limit of the AlN generation start temperature is about 2200 ° C., and the lower limit of the AlN generation completion temperature is about 1500 ° C. there were.
[0029]
Here, in order to set the conversion rate to AlN to 100%, it is necessary to lower the temperature from the AlN production start temperature to the AlN production completion temperature, but the relationship between the time required for the AlN production reaction and the cooling rate. Therefore, if the rapid cooling is performed in a state where the AlN production reaction has not sufficiently progressed, there are cases where the unreacted Al vapor remains and the temperature is below the condensation temperature of Al. In this case, a solid (powder) of metal Al is generated, and even if ammonia gas is blown in, the solid Al powder does not react, and the Al powder is mixed with the generated particles and the purity of AlN is lowered. For this reason, in order to increase the AlN purity, it is cooled slowly until Al vapor and N sufficiently react to ensure sufficient AlN generation reaction time (residence time) so as not to leave unreacted Al vapor. There is a need to. For example, when the conditions shown in FIG. 1 are satisfied, the temperature is gradually lowered from a temperature range of 1700 ° C. to 2100 ° C. by blowing ammonia gas so as to maintain a temperature range of 1200 to 1600 ° C., for example. This is a temperature range where unreacted Al is still condensed at 1200 to 1600 ° C. even when the AlN production reaction proceeds smoothly and the AlN purity is as high as about 90% by mass, for example. This is necessary. On the other hand, if the cooling is continued as it is, the AlN particles frequently grow repeatedly with repeated collisions, and ultrafine particles cannot be obtained. For this reason, in order to obtain AlN ultrafine particles, it is necessary to rapidly cool immediately after the conversion rate from Al to AlN becomes almost 100%.
[0030]
As shown in FIG. 1, the condensation temperature of Al varies greatly depending on the proportion of unreacted Al. From the above, in order to obtain high-purity AlN from Al vapor, N in the temperature range between the AlN generation start temperature (for example, about 2100 ° C.) and the AlN generation completion temperature (for example, about 1700 ° C.). 2 -NH reacts with Al vapor mixed gas-quenching gas 3 The temperature of the mixed gas is lowered to the AlN generation completion temperature while keeping the temperature of the mixed gas not lower than the condensation temperature of Al corresponding to the Al unreacted rate at this time. is important. Therefore, for example, in this embodiment, the temperature of the mixed gas of nitrogen and aluminum vapor is lowered to a temperature at which the formation of aluminum nitride is completed while the temperature is higher than the condensation temperature of unreacted aluminum contained in the mixed gas. I am trying to blow ammonia gas. This can be realized, for example, by adjusting the position where the ammonia gas is blown, the flow rate or temperature of the blown ammonia gas, and the like. In order to obtain AlN ultrafine particles, it is preferable to prevent the growth of AlN particles by rapidly cooling immediately after the conversion rate from aluminum to aluminum nitride reaches almost 100%.
[0031]
FIG. 2 shows an example of an apparatus for producing aluminum nitride particles using arc plasma. This manufacturing apparatus 1 includes a
[0032]
The
[0033]
With the above structure, ammonia gas is blown into a mixed gas composed of nitrogen and aluminum vapor, and high purity aluminum nitride ultrafine particles (for example, the amount of aluminum nitride particles in the manufactured particles is 90% by mass or more) are produced. Is done. Further, the gas that has passed through the
[0034]
【Example】
<Example 1>
Aluminum nitride ultrafine particles were actually produced using the apparatus 1 shown in FIG. The metal aluminum powder used as a raw material was a powder (Al-At-350, average particle size of about 20 μm, shape: spindle shape) manufactured by Fukuda Metal Foil Powder Industry. The arc current was constant at 140 A, and the plasma length was constant at 75 mm. The distance between the
[0035]
When the powder (particles) adhering to the tip of the collection cylinder 7 (see
[0036]
Although the temperature of the reaction / quenching gas blowing portion in this example was as low as about 1300 ° C., the AlN purity was relatively high as about 90% by mass. This is because the reaction of Al and N proceeds in a high-temperature space (about 1500 to 5000 ° C.) between the
[0037]
<Example 2>
The apparatus 1 shown in FIG. 2 is used to produce aluminum nitride ultrafine particles by changing the plasma gas or reaction / quenching gas to 100% nitrogen gas, 100% ammonia gas, mixed gas of 50% by volume of nitrogen and 50% by volume of ammonia. The AlN purity of the particles produced in each case was examined. The other conditions were the same as in Example 1. The results are shown in FIG. In the figure, the Δ mark plot and the curve indicated by symbol E represent the plasma gas, and the circle mark plot and the curve indicated by symbol F in the figure represent the reaction / quenching gas. From FIG. 3, it can be confirmed that the plasma gas is higher in AlN purity when it contains only nitrogen and does not contain ammonia. Further, it can be confirmed that the reaction / quenching gas does not contain nitrogen and contains only ammonia, and the AlN purity becomes higher.
[0038]
As described above, according to the present invention, ultrafine aluminum nitride particles, which are highly functional materials having features such as high thermal conductivity and high electrical insulation, can be produced with extremely high purity. Aluminum nitride ultrafine particles can be used as a material for high heat dissipation control substrates and electrical insulating materials in energy conversion equipment, and can greatly contribute to the downsizing and high efficiency of electronic equipment and energy conversion equipment.
[0039]
Also, by using only nitrogen gas as the plasma gas, the operating cost is lower than when using a conventional plasma gas based on a relatively expensive argon gas. Further, by using only ammonia gas as the reaction / quenching gas, the equipment cost can be reduced as compared with the case of using the conventional quenching gas based on hydrogen. Since hydrogen has a low molecular weight, it easily leaks, and gas with a hydrogen concentration of 4% by volume or more must be handled as an explosive / flammable gas. Although it is necessary to make it and its peripheral equipment explosion-proof and install hydrogen detectors at many locations, such measures are not necessary when using ammonia gas. NH 3 The thermal conductivity of H is H 2 Is equivalent to that of NH 3 It is thought that there is sufficient quenching effect by itself.
[0040]
The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in order to ensure sufficient AlN generation reaction time so that unreacted Al does not remain, and to cool rapidly immediately after the conversion rate from Al to AlN becomes almost 100%, blowing in ammonia gas (For example, a relatively high temperature ammonia gas is blown as a reaction gas (nitrogen source) in the upper stage and a relatively low temperature ammonia gas is blown as a cooling gas in the lower stage), or the Al vapor-containing gas is kept at a substantially constant temperature. A heating device for holding may be separately provided on the downstream side of the arc plasma 4.
[0041]
【The invention's effect】
As apparent from the above description, according to the method for producing aluminum nitride particles according to claim 1, since ammonia gas is blown into the mixed gas composed of nitrogen and aluminum vapor, aluminum nitride is generated from aluminum. Therefore, it is possible to expand the temperature range necessary for the production, and to obtain aluminum nitride ultrafine particles with high purity (for example, the amount of aluminum nitride particles in the produced particles is 90 mass% or more).
[0042]
Furthermore, according to the method for producing aluminum nitride particles according to
[0043]
Furthermore, according to the method for producing aluminum nitride particles according to
[0044]
Furthermore, according to the method for producing aluminum nitride particles according to claim 4, since the produced particles are passed through ethanol, the metal aluminum powder in the produced particles is removed, and the purity is higher (for example, the amount of aluminum nitride particles in the produced particles). Is 99% by mass or more).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing an example of the formation temperature of aluminum nitride and the condensation temperature of unreacted aluminum.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of an apparatus for producing aluminum nitride particles.
FIG. 3 is a graph showing changes in the purity of aluminum nitride when the components of plasma gas and reaction / cooling gas are changed.
[Explanation of symbols]
1 Aluminum nitride particle production equipment
2 Cathode
3 Plasma torch
4 Arc plasma
5 Anode
6 Reaction / cooling gas outlet
7 collection cylinder
8 Gas distribution pipe
9 chambers
10 Vacuum pump
11 Ethanol tank
12 Filter
13 Flow of nitrogen gas
14 Flow of metal aluminum powder
15 Flow of ammonia gas
16 Flow of exhaust gas
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