TWI769913B

TWI769913B - 陶瓷複合物及其製備方法

Info

Publication number: TWI769913B
Application number: TW110131249A
Authority: TW
Inventors: 張名惠; 翁雪萍; 游勝閔; 莊凱翔
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2021-08-24
Filing date: 2021-08-24
Publication date: 2022-07-01
Also published as: US20230076574A1; US11691922B2; TW202309301A; CN115894044A

Abstract

提供陶瓷複合物及其製備方法。陶瓷複合物的製備方法包括：混合鋁渣及碳促進劑，以獲得混合物；以及使混合物在氮氣環境中且在等於或大於1600℃的溫度下進行反應，以獲得陶瓷複合物。其中，鋁渣包括鋁、氧、氮及鎂。氧與鋁的重量比值為0.6~2。氮與鋁的重量比值為0.1~1.2。鎂與鋁的重量比值為0.04~0.2。其中，陶瓷複合物包括佔陶瓷複合物的至少90 wt%的氮化鋁。

Description

陶瓷複合物及其製備方法

本揭露係關於陶瓷複合物及其製備方法，特別是關於能夠從鋁渣轉變為包括高含量的氮化鋁的陶瓷複合物及其製備方法。

由於鋁(aluminum)的電子組態，因此鋁屬於活性較高的金屬。所以在高溫煉製金屬鋁時，金屬鋁十分容易被再次氧化，所以金屬鋁的一部分會被氧化為氧化鋁。另外，由於煉製時的原料中通常還含有水及其他物質，所以金屬鋁亦可能反應為其他的鋁化合物。

為了避免金屬鋁在高溫環境下被再次氧化，在高溫煉製製程中會加入許多鹽類，進而使得鹽類與金屬鋁進行反應，而產生比重較小所以能夠浮在金屬鋁熔漿的表面上的含鋁低熔點鹽類。前述含鋁低熔點鹽類又稱為鋁渣(aluminum slag)或鋁爐石。換句話說，能夠形成用作保護層的鋁渣於金屬鋁熔漿表面，以藉由鋁渣來隔絕金屬鋁熔漿與環境氣體，而避免金屬鋁熔漿與環境氣體產生反應。

待高溫煉製金屬鋁製程完成之後，鋁渣會被視為廢棄物而移除並丟棄，而使得鋁渣失去利用價值。在此情況中，除了造成因為鋁的耗損而致使高溫煉製金屬鋁製程的成本較高之外，還可能造成環境污染而耗費更多廢棄物處理成本的問題。

鑒於上述問題，本揭露藉由在高溫及含氮環境下，將鋁渣轉變為具有高含量的氮化鋁的陶瓷複合物。舉例而言，陶瓷複合物可包括佔陶瓷複合物至少90重量百分比(weight percentage，wt%)的氮化鋁。因此，能夠使得原先利用價值低且可能造成環境或人體危害的鋁渣，成為能夠應用於高導熱材料、功率元件等高附加價值領域的陶瓷複合物。同時，本揭露的製備方法能夠減少碳促進劑殘留在陶瓷複合物中的殘餘量，還能夠有效縮短反應時間，因此能夠提供一種低成本且高品質的陶瓷複合物及其製備方法。

根據本揭露的一些實施例，提供陶瓷複合物的製備方法。陶瓷複合物的製備方法包括：混合鋁渣及碳促進劑，以獲得混合物；以及使混合物在氮氣環境中且在等於或大於1600℃的溫度下進行反應，以獲得陶瓷複合物。其中，鋁渣包括鋁、氧、氮及鎂。氧與鋁的重量比值為0.6~2。氮與鋁的重量比值為0.1~1.2。鎂與鋁的重量比值為0.04~0.2。其中，陶瓷複合物包括佔陶瓷複合物的至少90 wt%的氮化鋁。

根據本揭露的一些實施例，提供陶瓷複合物。陶瓷複合物包括第一成分及第二成分。第一成分佔陶瓷複合物的90 wt%~99 wt%。第一成分為氮化鋁。第二成分佔陶瓷複合物的1 wt%~10 wt%。第二成分包括鎂、鈣、矽或其組合。

本揭露的陶瓷複合物的製備方法可依照需求應用於含有不同組分的鋁渣，並使得鋁渣反應為陶瓷複合物。而為讓本揭露的特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

以下揭露提供了不同的實施例或範例。在此，「大約(about)」、「實質上(substantially)」的用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，或10%之內，或5%之內，或3%之內，或2%之內，或1%之內，或0.5%之內。應注意的是，說明書中所提供的數量為大約的數量，亦即在沒有特定說明「大約」、「實質上」的情況下，仍可隱含「大約」、「實質上」的含義。

此外，說明書內所述特定實施例中的物質組成、裝置、製程、方法及步驟並未侷限本揭露的保護範圍。對於任何所屬技術領域中具有通常知識者而言，只要可以在此處所述的實施例中實現大抵相同功能或獲得大抵相同結果，可以根據本揭露的一些實施例，使用從揭示內容中理解的現行或未來所發展出的物質組成、裝置、製程、方法及步驟。因此，本揭露的保護範圍包括上述物質組成、裝置、製程、方法及步驟。此外，說明書內所述的製程、方法及步驟可能省略。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本揭露的保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。

參照第1圖，其是根據本揭露的一些實施例，繪示陶瓷複合物的製備方法的流程圖。

在步驟S1中，將鋁渣及碳促進劑進行混合，以獲得混合物。

在一些實施例中，鋁渣可稱為含鋁爐石，是高溫煉製金屬鋁時產生的工業副產物或工業廢棄物。一般而言，鋁渣會以掩埋的方式處理，然而此方式容易產生土地汙染及臭味的問題，甚至是因為放熱而造成堆放的安全疑慮的問題。因此，可以藉由本揭露的陶瓷複合物的製備方法將低價值的工業廢棄物轉變為高經濟價值的陶瓷複合物。

在一些實施例中，鋁渣可包括金屬鋁、氧化鋁(aluminium oxide，Al ₂O ₃)、氮化鋁(aluminium nitride，AlN)、氮氧化鋁(aluminum oxynitride，AlON)或其組合。

在一些實施例中，鋁渣可包括鋁原子、氧原子、氮原子及鎂原子。在一些實施例中，可藉由元素分析來測量鋁渣中各原子的含量。在一些實施例中，鋁渣中的氧原子與鋁原子的重量比值(ratio of weight)可為0.6~2。在一些實施例中，鋁渣中的氧原子與鋁原子的重量比值可為0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、或上述任意數值組成的範圍。舉例而言，鋁渣中的氧原子與鋁原子的重量比值為0.6~0.9、0.7~0.85、1~1.4、1~1.3、1.1~1.4、1.2~1.5或1.5~1.7。

在一些實施例中，鋁渣中的氮原子與鋁原子的重量比值可為0.1~1.2。在一些實施例中，鋁渣中的氮原子與鋁原子的重量比值可為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、或上述任意數值組成的範圍。舉例而言，鋁渣中的氮原子與鋁原子的重量比值為0.1~0.3、0.2~0.4、0.3~0.6、0.4~0.7、0.8~1或0.9~1.1。

在一些實施例中，鋁渣中的鎂原子與鋁原子的重量比值可為0.04~0.2。在一些實施例中，鋁渣中的鎂原子與鋁原子的重量比值可為0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.2或上述任意數值組成的範圍。舉例而言，鋁渣中的鎂原子與鋁原子的重量比值為0.04~0.06、0.07~0.1、0.14~0.16、0.15~0.17、0.16~0.18、0.17~0.19或0.18~0.2。

此外，鋁渣可進一步包括碳(carbon)、矽(silicon)、鈣(calcium)、鈉(sodium)、鉀(potassium)或其組合。舉例而言，鋁渣可進一步包括碳、矽、鈣、鈉、鉀或其組合的氧化物、氮化物及/或氮氧化物。

在一些實施例中，鋁渣中的碳原子與鋁原子的重量比值可為0.2~0.6。在一些實施例中，鋁渣中的碳原子與鋁原子的重量比值可為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6或上述任意數值組成的範圍。舉例而言，鋁渣中的碳原子與鋁原子的重量比值為0.1~0.3、0.2~0.4、0.3~0.5或0.4~0.6。在另一些實施例中，鋁渣可實質上不包括或無法檢測出碳原子。

在一些實施例中，鋁渣中的矽原子與鋁原子的重量比值可為0.01~0.2。在一些實施例中，鋁渣中的矽原子與鋁原子的重量比值可為0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.2或上述任意數值組成的範圍。舉例而言，鋁渣中的矽原子與鋁原子的重量比值為0.01~0.03、0.2~0.4、0.3~0.5或0.4~0.6。在另一些實施例中，鋁渣可實質上不包括或無法檢測出矽原子。

在一些實施例中，鋁渣中的鈣原子與鋁原子的重量比值可為0.004~0.06。在一些實施例中，鋁渣中的鈣原子與鋁原子的重量比值可為0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06或上述任意數值組成的範圍。舉例而言，鋁渣中的鈣原子與鋁原子的重量比值為0.004~0.006、0.005~0.007、0.006~0.008、0.01~0.03、0.02~0.04或0.03~0.05。

在一些實施例中，鋁渣中的鈉(Na)原子及/或鉀(K)原子的含量小於2 wt%，例如，小於1 wt%或小於0.5 wt%。鋁渣中的鈉原子或鉀原子與鋁原子的重量比值可為0.002~0.05。舉例而言，鋁渣中的鈉原子與鋁原子的重量比值為0.002~0.004、0.003~0.005、0.01~0.03或0.02~0.04。舉例而言，鋁渣中的鉀原子與鋁原子的重量比值為0.002~0.004、0.003~0.005、0.01~0.03或0.02~0.04。

在一些實施例中，鋁渣包括碳原子、矽原子及鈣原子；鋁渣中的碳原子與鋁原子的重量比值可為0.2~0.6；鋁渣中的矽原子與鋁原子的重量比值可為0.01~0.2；以及鋁渣中的鈣原子與鋁原子的重量比值可為0.004~0.06。

在一些實施例中，碳促進劑可包括活性碳、石墨或其組合。在一些實施例中，碳促進劑的重量可為混合物的總重量的10 wt%~20 wt%。也就是說，碳促進劑的重量為鋁渣與碳促進劑的總重量的10 wt%~20 wt%。在一些實施例中，碳促進劑的重量可為混合物的總重量的10 wt%、11 wt%、12 wt%、13 wt%、14 wt%、15 wt%、16 wt%、17 wt%、18 wt%、19 wt%、20 wt%或上述任意數值組成的範圍。當添加的碳促進劑的重量小於混合物總重量的10 wt%，可能難以將鋁渣反應完全；然而當碳促進劑的重量大於鋁渣總重量的20 wt%，可能造成碳促進劑殘留於陶瓷複合物中，致使陶瓷複合物的氮化鋁含量降低。在一些實施例中，可在執行後續加熱製程時，一併移除碳促進劑。

在一些實施例中，在步驟S1之後，可進一步將混合物與黏結劑混合，而再接續進行後續步驟S2。在一些實施例中，經添加的黏結劑的重量可為混合物總重量的1 wt%~5 wt%。在一些實施例中，經添加的黏結劑的重量可為混合物總重量的1 wt%、2 wt%、3 wt%、4 wt%、5 wt%上述任意數值組成的範圍。

在一些實施例中，黏結劑可為在高溫環境下會熱裂解的高分子材料。在一些實施例中，黏結劑可將前述鋁渣及碳促進劑均勻地分散並混合。在一些實施例中，黏結劑可包括聚縮醛、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，PMMA)、聚烯烴化合物、烴蠟或其組合。在一些實施例中，黏結劑可為聚甲基丙烯酸甲酯。

在一些實施例中，由於黏結劑為高分子材料，因此在混合物中同時包括鋁渣、碳促進劑及黏結劑的情況下，黏結劑可助於更均勻快速的反應之外，還可以控制整體粒徑大小，更可助於使鋁渣以更安定狀態存放。

在一些實施例中，在將混合物與黏結劑混合的實施例中，可選擇性地進一步執行造粒或壓錠成型。舉例而言，造粒或壓錠成型可藉由造粒機或壓錠機來執行，以控制樣品形狀大小。

在步驟S2中，使前述混合物在氮氣環境中反應，以獲得陶瓷複合物。

在一些實施例中，氮氣環境的主成分為氮氣，然而可以包括少量其他氣體，諸如氧氣。舉例而言，氮氣佔整個氮氣環境中的氣體的95%的體積百分比(volume percentage，v/v%)以上，以獲得具有高含量的氮化鋁的陶瓷複合物。在一些實施例中，氮氣環境的氣壓為1 atm~10 atm。舉例而言，氮氣環境的氣壓為2 atm~7 atm。氮氣環境的氣壓可為1 atm、2 atm、3 atm、4 atm、5 atm、6 atm、7 atm、8 atm、9 atm、10 atm或上述任意數值組成的範圍。

在一些實施例中，可在等於或大於1600 ℃的溫度下使混合物進行反應。在一些實施例中，前述混合物可在1650 ℃~1900 ℃的高溫中反應。舉例而言，前述混合物在1700 ℃、1750 ℃、1800 ℃、1850 ℃、1900 ℃或上述任意數值組成的範圍下反應。在一些實施例中，混合物可在高溫爐(furnace)中反應。

在一些實施例中，前述混合物的反應時間可為3~12小時。當反應時間超過12小時，則會增加額外的製程成本；而當反應時間小於3小時，則可能造成反應未完全的問題。在一些實施例中，反應時間可為3小時、4小時、5小時、6小時、7小時、8小時、9小時、10小時、11小時、12小時或上述任意數值組成的範圍。在一些實施例中，反應時間可為3~8小時。舉例而言，2~4小時、3~5小時或4~6小時。在一些實施例中，反應時間可小於5小時。舉例而言，反應時間為4小時即能完全反應(如後續實施例3及5所示)，並獲得陶瓷複合物。

在一些實施例中，根據前述步驟S1與S2製備而得的陶瓷複合物可包括第一成分及第二成分。在一些實施例中，可藉由X光繞射儀來分析陶瓷複合物的成分。在一些實施例中，作為第一成分的氮化鋁可佔陶瓷複合物的總重量的90 wt%~99 wt%。在一些實施例中，氮化鋁可佔陶瓷複合物的總重量的至少90 wt%。舉例而言，氮化鋁可佔陶瓷複合物的90 wt%、91 wt%、92 wt%、93 wt%、94 wt%、95 wt%、96 wt%、97 wt%、98 wt%、99 wt%或上述任意數值組成的範圍。

在一些實施例中，氮化鋁的粒徑可為2~10um。在一些實施例中，氮化鋁的晶相可為六方晶相。在陶瓷複合物中的氮化鋁為六方晶相的情況下，由於六方晶相的晶體結構完整，因此可具有良好的導熱性質，而能提升陶瓷複合物的導熱性。

在一些實施例中，第二成分可佔陶瓷複合物的1 wt%~10 wt%。舉例而言，第二成分可佔陶瓷複合物的1 wt%、2 wt%、3 wt%、4 wt%、5 wt%、6 wt%、7 wt%、8 wt%、9 wt%、10 wt%或上述任意數值組成的範圍。在一些實施例中，第二成分可包括鎂、鈣、矽或其組合。舉例而言，陶瓷複合物可包括氧化鎂、氮化鎂、氧化鈣、氮化鈣、氧化矽、氮化矽或其組合。

在一些實施例中，陶瓷複合物中的鎂原子可佔陶瓷複合物的1 wt%~3 wt%。舉例而言，陶瓷複合物中的鎂原子佔陶瓷複合物的1 wt%、1.5 wt%、2 wt%、2.5 wt%、3 wt%或上述任意數值組成的範圍。在一些實施例中，陶瓷複合物中的矽原子可佔陶瓷複合物的4 wt%~8 wt%。舉例而言，陶瓷複合物中的矽原子佔陶瓷複合物的4 wt%、4.5 wt%、5 wt%、5.5 wt%、6 wt%、6.5 wt%、7 wt%、7.5 wt%、8 wt%或上述任意數值組成的範圍。在一些實施例中，陶瓷複合物中的鈣原子可佔陶瓷複合物的0.05 wt%~3 wt%。舉例而言，陶瓷複合物中的鈣原子佔陶瓷複合物的0.05 wt%、0.1 wt%、0.5 wt%、1 wt%、1.5 wt%、2 wt%、2.5 wt%、3 wt%或上述任意數值組成的範圍。

在一些實施例中，陶瓷複合物可實質上不包括碳原子。換句話說，在使用諸如X光繞射儀進行分析時，碳原子佔陶瓷複合物中的含量可小於X光繞射儀的最低檢測量，因此無法測得碳原子佔陶瓷複合物中的含量。當陶瓷複合物中的碳原子的重量過高時，會導致陶瓷複合物的導電性質提升，而不適用於散熱膠的應用。因此，本揭露能夠控制陶瓷複合物中的碳原子的含量至低於儀器的檢測量，因此本揭露的陶瓷複合物能夠適合應用於散熱膠。此外，由於本揭露的陶瓷複合物實質上可不包括碳原子，因此在後續應用於燒結反應時，本揭露的陶瓷複合物能夠避免因為殘留的碳而導致燒結物中產生空隙的問題。因此，使用本揭露的陶瓷複合物進行燒結反應所得的燒結物可具有相對高的燒結密度，也相應地具有相對高的塊材強度。

為了讓本揭露的上述與其他目的及優點能更明顯易懂，下文列舉各個實施例，並作詳細說明如下：

在各實施例中，可選用鋁渣或市售氧化鋁進行反應。其中，鋁渣的具體成分如表1所示，且表1顯示各元素佔鋁渣的總重量的重量百分比(weight percentage，wt%)。在一些實施例，可藉由元素分析(能量散射X光分析(Energy dispersive X-ray spectroscopy，EDS)，型號：JEOL JCM-7000)來獲得如表1所示的數值。其中，市售氧化鋁可為AES-11C(廠商：住友化學)。在各實施例中，可選用石墨粉作為碳促進劑，並選用DURAMAX B-1000(廠商：陶氏化學(The Dow Chemical Company))作為黏結劑。

表1

各元素佔比 (wt%)	鋁渣編號
鋁渣1	鋁渣2	鋁渣3	鋁渣4
碳(C)	8.73	10.48	9.98	0
氮(N)	18.64	14.94	8.34	27.51
氧(O)	27.37	35.63	39.37	38.87
鎂(Mg)	1.84	3.51	5.92	4.68
鋁(Al)	33.28	22.17	30.34	28.65
矽(Si)	3.31	3.87	0.55	0
鈣(Ca)	1.32	0.61	0.77	0.17
鈉(Na)	0.14	0.06	0.65	0.07
鉀(K)	0.21	0.32	1.50	0.15
各元素與鋁的比例(wt%/wt%)	鋁渣1	鋁渣2	鋁渣3	鋁渣4
碳/鋁	0.262	0.473	0.329	0
氮/鋁	0.56	0.674	0.275	0.96
氧/鋁	0.822	1.607	1.298	1.357
鎂/鋁	0.055	0.158	0.195	0.163
矽/鋁	0.099	0.175	0.018	0
鈣/鋁	0.04	0.028	0.025	0.006
鈉/鋁	0.0042	0.0027	0.0214	0.00244
鉀/鋁	0.0063	0.0144	0.0494	0.00523

為便於說明，將各實施例的反應參數列於表2。在下述實施例中，在高溫爐下進行反應。若有執行加壓成形，則於200 kg/cm ³的壓力下持續施壓30秒。

表2

實施例	混合物	黏結劑	加壓成形	溫度(℃)	壓力(atm)	時間 (小時)
1	85wt%鋁渣1 15wt%石墨粉	3wt%	有	1800	6	6
2	85w%鋁渣4 15wt%石墨粉	3wt%	有	1800	6	6
3	85w%鋁渣1 15wt%石墨粉	3wt%	無	1800	6	4
4	85w%鋁渣1 15wt%石墨粉	3wt%	無	1700	6	6
5	85w%鋁渣1 15wt%石墨粉	未添加	無	1800	6	4
6	85w%鋁渣1 15wt%石墨粉	3wt%	有	1600	6	6
7	85w%鋁渣1 15wt%石墨粉	3wt%	有	1400	6	6
8	85w%鋁渣1 15wt%石墨粉	3wt%	有	1230	6	6
9	90w%鋁渣1 10wt%石墨粉	3wt%	有	1800	6	4
10	70wt%市售氧化鋁 30wt%石墨粉	3wt%	有	1600	6	6
11	70wt%市售氧化鋁 30wt%石墨粉	3wt%	有	1700	6	6
12	70wt%市售氧化鋁 30wt%石墨粉	3wt%	有	1800	6	6
13	85w%市售氧化鋁 15wt%石墨粉	3wt%	無	1800	6	4
14	85w%市售氧化鋁 15wt%石墨粉	未添加	無	1800	6	4

實施例1

將8.5g的鋁渣1與1.5g石墨粉混合，而獲得混合物1。再加入0.3g的黏結劑至混合物1中均勻混合，而獲得混合物1’。接著，使混合物1’進行加壓成形，於200 kg/cm ³的壓力下持續施壓30秒，以壓成錠狀物。將前述錠狀物置於高溫爐中，在1800℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應6小時，可將錠狀物反應為陶瓷複合物1。

實施例2

類似於實施例1，將8.5g的鋁渣4與1.5g石墨粉混合，而獲得混合物2。再加入0.3g的黏結劑至混合物2中均勻混合，而獲得混合物2’。接著，使混合物2’進行加壓成形，於200 kg/cm ³的壓力下持續施壓30秒，以壓成錠狀物。將前述錠狀物置於高溫爐中，在1800℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應6小時，可將錠狀物反應為陶瓷複合物2。

實施例3

類似於實施例1，將8.5g的鋁渣1與1.5g石墨粉混合，而獲得混合物3。再加入0.3g的黏結劑至混合物3中均勻混合，而獲得混合物3’。不進行加壓成形，直接將混合物3’置於高溫爐中，在1800℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應4小時，可將混合物3’反應為陶瓷複合物3。

實施例4

類似於實施例1，將8.5g的鋁渣1與1.5g石墨粉混合，而獲得混合物4。再加入3g的黏結劑至混合物4中均勻混合，而獲得混合物4’。不進行加壓成形，直接將混合物4’置於高溫爐中，在1700℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應6小時，可將混合物4’反應為陶瓷複合物4。

實施例5

類似於實施例1，將8.5g的鋁渣1與1.5g石墨粉混合，而獲得混合物5。直接將混合物5置於高溫爐中，在1800℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應4小時，可將混合物5反應為陶瓷複合物5。

實施例6

類似於實施例1，將8.5g的鋁渣1與1.5g石墨粉混合，而獲得混合物6。再加入0.3g的黏結劑至混合物6中均勻混合，而獲得混合物6’。接著，使混合物6’進行加壓成形，於200 kg/cm ³的壓力下持續施壓30秒，以壓成錠狀物。將前述錠狀物置於高溫爐中，在1600℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應6小時，可將錠狀物反應為陶瓷複合物6。

實施例7

類似於實施例1，將8.5g的鋁渣1與1.5g石墨粉混合，而獲得混合物7。再加入0.3g的黏結劑至混合物7中均勻混合，而獲得混合物7’。接著，使混合物7’進行加壓成形，於200 kg/cm ³的壓力下持續施壓30秒，以壓成錠狀物。將前述錠狀物置於高溫爐中，在1400℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應6小時，可將錠狀物反應為陶瓷複合物7。

實施例8

類似於實施例1，將8.5g的鋁渣1與1.5g石墨粉混合，而獲得混合物8。再加入0.3g的黏結劑至混合物8中均勻混合，而獲得混合物8’。接著，使混合物8’進行加壓成形，於200 kg/cm ³的壓力下持續施壓30秒，以壓成錠狀物。將前述錠狀物置於高溫爐中，在1230℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應6小時，可將錠狀物反應為陶瓷複合物8。

實施例9

類似於實施例1，將9g的鋁渣1與1g石墨粉混合，而獲得混合物9。再加入0.3g的黏結劑至混合物9中均勻混合，而獲得混合物9’。接著，使混合物9’進行加壓成形，於200 kg/cm ³的壓力下持續施壓30秒，以壓成錠狀物。將前述錠狀物置於高溫爐中，在1800℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應4小時，可將錠狀物反應為陶瓷複合物9。

實施例10

將7g的市售氧化鋁與3g石墨粉混合，而獲得混合物10。再加入0.3g的黏結劑至混合物10中均勻混合，而獲得混合物10’。接著，使混合物10’進行加壓成形，於200 kg/cm ³的壓力下持續施壓30秒，以壓成錠狀物。將前述錠狀物置於高溫爐中，在1600℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應6小時，可將錠狀物反應為陶瓷複合物10。

實施例11

類似於實施例10，將7g的市售氧化鋁與3g石墨粉混合，而獲得混合物11。再加入0.3g的黏結劑至混合物11中均勻混合，而獲得混合物11’。接著，使混合物11’進行加壓成形，於200 kg/cm ³的壓力下持續施壓30秒，以壓成錠狀物。將前述錠狀物置於高溫爐中，在1700℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應6小時，可將錠狀物反應為陶瓷複合物11。

實施例12

類似於實施例10，將7g的市售氧化鋁與3g石墨粉混合，而獲得混合物12。再加入0.3g的黏結劑至混合物12中均勻混合，而獲得混合物12’。接著，使混合物12’進行加壓成形，於200 kg/cm ³的壓力下持續施壓30秒，以壓成錠狀物。將前述錠狀物置於高溫爐中，在1800℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應6小時，可將錠狀物反應為陶瓷複合物12。

實施例13

將8.5g的市售氧化鋁與1.5g石墨粉混合，而獲得混合物13。再加入0.3g的黏結劑至混合物13中均勻混合，而獲得混合物13’。將混合物13’置於高溫爐中，在1800℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應4小時，可將混合物13’反應為陶瓷複合物13。

實施例14

將8.5g的市售氧化鋁與1.5g石墨粉混合，而獲得混合物14。將混合物14置於高溫爐中，在1800℃的溫度，6atm的壓力的氮氣環境下，反應4小時，可將混合物14反應為陶瓷複合物14。

接著，對實施例1至實施例14所獲的陶瓷複合物1至陶瓷複合物14進行下述分析。

電子顯微鏡分析

參照第2圖，其為陶瓷複合物的電子顯微鏡圖。具體而言為陶瓷複合物1的電子顯微鏡圖。其中，電子顯微鏡為JCM-7000(廠商：日本電子株式會社(JEOL))。

如第2圖所示，陶瓷複合物1的晶相為六方晶相。此外，由於如第2圖所示的結構完整，因此導熱性質良好。類似地，陶瓷複合物2至陶瓷複合物5亦具良好的導熱性質。

熱傳導係數分析

再者，將陶瓷複合物1進行研磨。並以75:25的重量比例將陶瓷複合物1與矽膠混合，而使陶瓷複合物1分散於矽膠中，進而量測陶瓷複合物1的熱傳導性能。結果，陶瓷複合物1的熱傳導係數為1.10W/mK，優於市售氧化鋁(0.48W/mK)，並與商用氮化鋁(1.39W/mK)接近。顯示藉由本揭露的陶瓷複合物的製備方法所得的陶瓷複合物1具有作為良好的熱傳導材料的特性。類似地，陶瓷複合物2至陶瓷複合物5亦具良好的熱傳導性質。

X光繞射分析

使用X光繞射分析儀對陶瓷複合物1至陶瓷複合物14進行分析，並藉由特徵峰來進行定量。其中，X光繞射分析儀為X’ PERT PRO(廠牌：瑪律文帕納科公司(Malvern Panalytical))。

結果是，陶瓷複合物1至陶瓷複合物5及9包括佔陶瓷複合物的總重量的至少90wt%的氮化鋁，且實質上不包括碳。陶瓷複合物6、13及14包括氮化鋁及氮氧化鋁，且氮氧化鋁可能為殘留或未完全反應所產生。陶瓷複合物7及8包括未完全反應的氮氧化鋁。陶瓷複合物10至12包括氮化鋁及碳。

為簡要說明，以下顯示以陶瓷複合物1、6、7及10作為範例，來進行X光繞射分析的詳細描述。

參照第3圖至第6圖，其顯示藉由本揭露的製備方法而得的陶瓷複合物的X光繞射圖。具體而言，第3圖為陶瓷複合物1的X光繞射圖，第4圖為陶瓷複合物6的X光繞射圖，第5圖為陶瓷複合物7的X光繞射圖，且第6圖為陶瓷複合物10的X光繞射圖。

如第3圖所示，在33.2°、36°及38°處顯示氮化鋁的特徵峰，且藉由特徵峰來定量，可發現陶瓷複合物1包括佔陶瓷複合物1的至少90 wt%的氮化鋁。此外，由於在第3圖中的大約26.5°處未顯示任何特徵峰，代表陶瓷複合物1實質上不包括碳。類似地，陶瓷複合物2至5及9亦包括佔陶瓷複合物的至少90 wt%的氮化鋁，且實質上不包括碳。

如第4圖所示，在33.2°、36°及38°處顯示氮化鋁的特徵峰，且在大約34°至35°處顯示氮氧化鋁的特徵峰，代表陶瓷複合物6包括氮化鋁及氮氧化鋁。可發現由於實施例6的反應溫度不足，致使陶瓷複合物6包括未完全反應的氮氧化鋁，導致陶瓷複合物6包括的氮化鋁的含量小於陶瓷複合物6的總重量的90 wt%。類似地，由於實施例13及14的碳量不足，致使陶瓷複合物13及14包括未完全反應的氮氧化鋁。

如第5圖所示，在大約26.5°處顯示碳的特徵峰，且在大約34°至35°處顯示氮氧化鋁的特徵峰，代表陶瓷複合物7包括碳及氮氧化物。由於實施例7的反應溫度不足，致使陶瓷複合物7亦包括未完全反應的氮氧化鋁。類似地，由於實施例8的反應溫度不足，致使陶瓷複合物8亦包括未完全反應的氮氧化鋁。

如第6圖所示，在大約26.5°處顯示碳的特徵峰，且在33.2°、36°及38°處顯示氮化鋁的特徵峰，代表陶瓷複合物10包括碳及氮化鋁。由於實施例10的碳促進劑的添加量過高，致使陶瓷複合物10包括未完全反應的碳。類似地，由於實施例11及12的碳促進劑的添加量過高，致使陶瓷複合物11及12亦包括未完全反應的碳。

在一些實施例中，以實施例1作為範例，進行電感耦合電漿體原子發射光譜法(Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy，ICP)分析，來比較執行本揭露的陶瓷複合物的製備方法，也就是執行氮化反應之後的鋁渣成分分析，其結果如表3所示。其中，n為重複分析次數，s為重複分析的標準偏差。

表3

元素名稱	氮化反應後的元素佔比(wt%)
鋁(Al)	55.76 (n=3，s=0.67)
鎂(Mg)	1.15 (n=3，s=0.02)
鈣(Ca)	0.07 (n=3，s=0.001)
矽(Si)	6.24 (n=3，s=0.05)
鈉(Na)	＜0.005 (n=3)
鉀(K)	＜0.005 (n=3)

如表3所示，在執行本揭露的陶瓷複合物的製備方法之後，鋁渣中的鈉及鉀的含量大幅降低至難以量測。由於本揭露的陶瓷複合物的製備方法是在等於或大於1600℃的溫度下進行氮化反應，反應溫度顯著地高於鈉的沸點833℃及鉀的沸點759℃，因此鋁渣中的鈉及鉀會氣化。而在鋁渣中的鈉及鉀氣化後，會在鋁渣中產生空隙，使得氮氣更容易進入鋁渣中，而使得氮化反應更為完全，而獲得高含量的氮化鋁。此外，鋁渣中的鎂及鈣的含量亦大幅降低。因此，鋁渣中的鎂及鈣亦可能部分氣化而在鋁渣中產生空隙，來促進氮化反應。

綜上所述，如同上述實施例1至實施例14所示，在具有相同的碳促進劑的含量的情況下，相較於市售氮化鋁粉末，藉由鋁渣進行反應可獲得更高含量的氮化鋁。詳細而言，由於本揭露的鋁渣包括諸如鎂、鈣的高活性金屬，因為可以幫助燃燒，也就是與氧原子結合，所以可以促進鋁渣的氮化反應，從而獲得更高含量的氮化鋁。同時，由於本揭露的鋁渣可包括金屬鋁、氮化鋁及氮氧化鋁，因此相較於市售氮化鋁粉末，在存在有金屬鋁、氮化鋁及氮氧化鋁的情況下，金屬鋁可更容易與氮氣環境中的氮原子反應，而獲得更高含量的氮化鋁。再者，由於添加特定比例的諸如石墨粉的碳促進劑，因此在石墨粉亦可以與氧原子結合的情況下，可以更促進鋁渣的氮化反應。

此外，在將鋁渣反應為陶瓷複合物的反應過程中，鋁渣中的部分成分，諸如鈉及鉀，在反應溫度下會氣化，而在鋁渣中產生孔隙，使得氮氣環境中的氮氣更容易進入鋁渣中，進而促進鋁渣的氮化反應。也正因為鋁渣中的部分成分會氣化，所以將鋁渣進行反應所得的的陶瓷複合物中的氮化鋁的含量可為至少90 wt%。

同時，鋁渣中所含有的鎂、鈣、矽及其化合物，會在鋁渣中排列而產生空缺與自由電子，故有助於提升鋁渣的反應活性，進而促進鋁渣中的氧化鋁脫除氧，並進一步與氮結合，更可以促進鋁渣的氮化反應。

綜上所述，根據本揭露的一些實施例，將鋁渣反應為極具附加價值的陶瓷複合物，而提升鋁渣的應用價值，並降低製造陶瓷複合物所需的成本。在本揭露所述的陶瓷複合物的製備方法中，能藉由添加碳促進劑來使鋁渣反應。此外，藉由本揭露所述的製備方法，可在較短的反應時間內完成反應，因此能夠大幅減少製程成本。再者，鋁渣反應後所獲得的陶瓷複合物中，並無殘留碳促進劑，因此能夠提供一種具有高的氮化鋁純度的陶瓷複合物。

此外，由於陶瓷複合物中的含碳量低，因此能夠避免導電性質過高而不適用於散熱膠等散熱應用的問題。再者，由於陶瓷複合物中包括鎂、鈣、矽、其組合或其化合物，所以陶瓷複合物可進一步用於燒結應用。舉例而言，由於陶瓷複合物包括鎂、鈣、矽、其組合或其化合物，因此可助於降低燒結所需溫度而促進燒結反應，及提升經燒結後的材料的密度。

根據本揭露的一些實施例，由於鋁渣中具有的氮化鋁置於大氣環境下時，十分容易與水氣發生反應而產生氨氣。因此若鋁渣存放環境不當時，易產生刺鼻臭味，並對於人體健康造成危害。另外，為金屬態的金屬鋁則容易被氧化而放熱，造成鋁渣溫度提升，而造成存放上的安全問題。因此，藉由本揭露所述的製備方法能夠有效改善環境汙染、人體健康危害及存放的安全疑慮。

以上概述數個實施例，以便在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更理解本發明實施例的觀點。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者應該理解，他們能以本發明實施例為基礎，設計或修改其他製程與結構，以達到與在此介紹的實施例相同的目的及/或優勢。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到，此類等效的製程與結構並無悖離本發明的精神與範圍，且他們能在不違背本發明的精神與範圍之下，做各式各樣的改變、取代與替換。

S1,S2:步驟

藉由以下的詳述配合所附圖式，我們能更加理解本揭露實施例的觀點。值得注意的是，根據工業上的標準慣例，一些部件(feature)可能沒有按照比例繪製。事實上，為了能清楚地討論，不同部件的尺寸可能被增加或減少。第1圖是根據本揭露的一些實施例，繪示陶瓷複合物的製備方法的流程圖；第2圖是根據本揭露的一些實施例，顯示藉由本揭露的製備方法製備而得的陶瓷複合物的掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)圖；以及第3圖至第6圖是根據本揭露的一些實施例，顯示藉由本揭露的製備方法而得的陶瓷複合物的X光繞射(X-ray diffraction，XRD)圖。

S1,S2:步驟

Claims

一種陶瓷複合物的製備方法，包括：混合一鋁渣及一碳促進劑，以獲得一混合物，其中該鋁渣包括鋁、氧、氮及鎂，該氧與該鋁的重量比值為0.6~2，該氮與該鋁的重量比值為0.1~1.2，該鎂與該鋁的重量比值為0.04~0.2；以及使該混合物在氮氣環境中且在1600℃~1900℃的溫度下進行反應3小時~12小時，以獲得一陶瓷複合物，其中該陶瓷複合物包括佔該陶瓷複合物的至少90wt%的氮化鋁。
如請求項1所述的製備方法，其中該鋁渣更包括碳、矽、鈣、鈉、鉀或其組合。
如請求項1所述的製備方法，其中該鋁渣更包括碳，該碳與該鋁的重量比值為0.2~0.6。
如請求項1所述的製備方法，其中該鋁渣更包括矽，該矽與該鋁的重量比值為0.01~0.2。
如請求項1所述的製備方法，其中該鋁渣更包括鈣，該鈣與該鋁的重量比值為0.004~0.06。
如請求項1所述的製備方法，其中該鋁渣更包括鈉，該鈉與該鋁的重量比值為0.002~0.05。
如請求項1所述的製備方法，其中該鋁渣更包括鉀，該鉀與該鋁的重量比值為0.002~0.05。
如請求項1所述的製備方法，其中該鋁渣更包括碳、矽及鈣，該碳與該鋁的重量比值為0.2~0.6，該矽與該鋁的重量比值為0.01~0.2，以及該鈣與該鋁的重量比值為0.004~0.06。
如請求項1所述的製備方法，其中該氮氣環境的氣壓為1atm~10atm。
如請求項1所述的製備方法，其中該碳促進劑佔該混合物的10wt%~20wt%。
如請求項1或10所述的製備方法，其中該碳促進劑包括活性碳、石墨或其組合。
如請求項1所述的製備方法，更包括：將該混合物與一黏結劑混合，且該黏結劑的重量為該混合物的總重量的1wt%~5wt%。
如請求項12所述的製備方法，其中該黏結劑包括聚縮醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚烯烴化合物、烴蠟或其組合。
如請求項1所述的製備方法，其中該氮化鋁的晶相為六方晶相。
一種陶瓷複合物，其包括：一第一成分，佔該陶瓷複合物的90wt%~99wt%，且該第一成分為氮化鋁；以及一第二成分，佔該陶瓷複合物的1wt%~10wt%，且該第二成分包括鎂、矽或其組合，且其中：該鎂佔該陶瓷複合物的1wt%~3wt%；以及該矽佔該陶瓷複合物的4wt%~8wt%。
如請求項15所述的陶瓷複合物，其中該第二成分更包括鈣，且其中：該鈣佔該陶瓷複合物的0.05wt%~3wt%。
如請求項15所述的陶瓷複合物，其中該氮化鋁的晶相為六方晶相。