一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法
2023-06-06 06:53:51
專利名稱：一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法
技術領域：
一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法，涉及碳熱還原法製備氮化鋁粉體工藝的方法。
背景技術：
AlN(氮化鋁)是III-V族半導體化合物，其晶體是以[AlN4]四面體為結構單位，具有Warzjte結構的共價鍵化合物。25℃時晶格常數α0＝3.1127，c0＝4.9816，屬六方晶系，粉體真密度為3.255g/cm3。
AlN材料具有熱導率高(是的Al2O3的8～10倍)、高溫電絕緣性好、介電性能好、熱膨脹係數低(4.4×10-6℃)，與單晶矽相近，比Al2O3、BeO都低，耐熱衝擊電阻高、高溫下材料強度大、硬度高、無毒等優異的特性，從而在諸多領域中得到廣泛應用。在國際上用於混合集成電路(HIC)、微波集成電路(MIC)、電力電子模塊(GTRM、IGBTM)、雷射二極體(LD)、坩堝、刀具材料等領域。尤其是它的熱膨脹與半導體矽材料相匹配並且無毒性、是較理想的電子半導體封裝所用的支撐散熱材料，以取代毒性大的材料。
目前的氮化鋁合成方法主要有以下幾種鋁粉直接氮化法、碳熱還原法、氣相反應法、裂解法、等離子體法、電弧熔煉法、自蔓延高溫合成法、微波合成法等。每種氮化鋁製備方法都有自身的優點與缺點，相比較而言，碳熱還原法製備的氮化鋁粉末純度高、性能穩定、粉末粒度細小均勻、成形和燒結性能良好，是一種具有良好應用前景的氮化鋁粉體製備方法。但是在碳熱還原法製備氮化鋁粉體的過程中，還有很多不足之處，如反應溫度高，反應時間長等。
發明內容
本發明的目的是針對碳熱還原法製備氮化鋁粉體的不足之處，提供一種有效的降低反應溫度、縮短反應時間、提高氮化鋁品質的碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法。
本發明的方法是通過以下技術方案實現的。
一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法，其特徵在製備過程是將在氫氧化鋁與氟化物和/或硼化物添加劑混合，在500～900℃溫度下煅燒2～4小時，得到一種多孔的活性氧化鋁，再把粉碎後的活性氧化鋁在水中配製成為懸浮液，加入鋁鹽、碳粉進行凝膠化，經乾燥、粉碎後通入氮氣還原得到氮化物粉體。
本發明的一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法，其特徵在於加入的添加劑的量為0.5％～3.5％。
本發明的一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法，其特徵在於懸浮液配製中在60～90℃的水浴條件下加入鋁鹽，鋁鹽為硝酸鋁、氯化鋁、硫酸鋁中的一種或二種以的混合物。
本發明的一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法，其特徵在於加入鋁鹽後的懸浮液在60～90℃的水浴條件下，加入表面活性劑，用無機酸調整懸浮液的PH值為0～6之間，攪拌5～60分鐘。
本發明的一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法，其特徵在於向懸浮液中添加超細的碳黑，碳黑加入的摩爾數為懸浮液中總鋁摩爾數的1.5～3倍，加入碳黑時應緩慢加入，同時攪拌，使得加入的碳黑與氧化鋁一起形成懸浮液，此過程在60～90℃的水浴條件下進行本發明的方法所用氫氧化鋁可以是工業的工業氫氧化鋁、也可是超細的氫氧化鋁，根據所用氫氧化鋁的一次晶體的大小，所製備出來的氮化鋁粉體的一次晶體有所不同，如(1)採用一次晶體為約3～4μm的工業氫氧化鋁所製備出來的氮化鋁粉體的一次晶體約為4～5μm；(2)採用一次晶體為約0.3～0.5μm的工業超細氫氧化鋁所製備出來的氮化鋁粉體的一次晶體約為1～2μm。
採用本發明的方法所製備的氮化鋁粉體，分散性好，無硬團聚，只有少量的軟團聚存在，只要稍加研磨即可打碎。本發明涉及一種氮化鋁粉體製備方法，旨在提高氮化鋁的品質，降低氮化溫度，節能降耗，開發出一種低成本生產高品質氮化鋁的方法。
採用氫氧化鋁和超細碳粉為起始原料，並採用溶膠-凝膠工藝，將碳熱還原法製備氮化鋁粉體的所有原料進行原位固定，加速反應過程，同時引入表面活性劑，阻止生成的氮化鋁發生團聚。將氫氧化鋁與添加劑混合，在低溫(500～900℃之間)下煅燒，製備出高活性的氧化鋁粉體，然後配製懸浮液，加入表面活性劑，在攪拌的情況下加入一定數量的超細碳黑，碳黑加入完畢後，經過一段時間的均勻化，以氨水調整體系的PH值至9以上，得到黑色的膠狀物，乾燥並將乾燥後的膠狀物粉碎成2～8mm的小顆粒，將小顆粒在真空碳管爐內氮氣氣氛下燒結，得到氮化鋁及沒有反應完全的碳黑混合的顆粒狀物，將顆粒粉碎並在馬夫爐內氧化氣氛下600～800℃的溫度範圍內脫碳，得到氮化鋁粉體。
圖1為本發明的方法的工藝流程示意圖。
具體實施方案一種氮化鋁粉體製備方法，製備過程為a將氫氧化鋁與添加劑氟化物和/或硼化物混合，添加劑可以是固體的，也可以是液體的，加入添加劑的目的脫除雜質，如鈉，在500～900℃之間煅燒2～4小時，得到一種多孔的活性氧化鋁，這種氧化鋁的比表面積在120～300m2/g之間，用球磨機或氣流磨將氧化鋁粉碎成0.5～2μm的粉體；b將得到的活性氧化鋁粉體在水中配製成為懸浮液，在60～90℃的水浴條件下加入鋁鹽，如硝酸鋁、氯化鋁、硫酸鋁等，加入的鋁鹽為其中的一種或幾種的混合物，並加入一些表面活性劑，如聚乙二醇，用無機酸調整懸浮液的PH值為0～6之間，攪拌20～30分鐘，得到穩定的懸浮液；此過程在60～90℃的水浴條件下進行；c向懸浮液中添加超細的碳黑，碳黑加入的摩爾數為微懸浮液中總鋁摩爾數的1.5～3倍，加入碳黑時應緩慢加入，同時攪拌，使得加入的碳黑與氧化鋁一起形成懸浮液，此過程在60～90℃的水浴條件下進行；d向懸浮液中緩慢滴加氨水，調整PH值為9～14之間，同時攪拌，20～30分鐘後，形成一種混合均勻黑色膠狀物；e將膠狀物在在70～90℃的溫度範圍內乾燥，乾燥方式可以是自由乾燥，也可以是真空乾燥，乾燥後得到一種黑色的塊狀物；f將塊狀物破碎成2～8mm的小顆粒，小於2mm的顆粒重新加入水，並重複d、e、f步驟，最終全部得到2～8mm的小顆粒，大於8mm的顆粒重新破碎，直到破碎成的顆粒全部在2～8mm之間；h將破碎好的黑色小顆粒放入真空碳管爐內，在氮氣氣氛下煅燒2～6小時，煅燒溫度為1500～1750℃之間，得到的黑色物質為混有沒有反應完全的碳粉的氮化鋁顆粒；i將反應後的小顆粒粉碎，得到的黑色物質為混有沒有反應完全的碳粉的氮化鋁粉體；j將由I得到的粉體在600～800℃的馬夫爐內加熱脫碳，得到灰色的氮化鋁粉體。
下面結合實例對本發明做進一步說明。
實施例1以工業氫氧化鋁為原料，首先將1000g氫氧化鋁與15克硼酸添加劑混合，在500℃下煅燒6小時，取200g煅燒後的氧化鋁，放入1000ml的燒杯中，加入200ml的去離子水，然後加入硝酸鋁25g，然後加入表面活性劑溶液，用硝酸調整PH值在2～3之間，邊攪拌邊加入70g超細碳粉，加完碳粉後，攪拌20分鐘，緩慢加入氨水，調整PH值至12之間，這時漿體變成了一個整體的凝膠狀物質，將凝膠在90℃的乾燥箱中乾燥，乾燥後的凝膠破碎成2～8mm的小顆粒，將小顆粒放入真空碳管爐內，控制氮氣流量在20～25ml/s，燒結溫度為1600℃，時間為3小時。煅燒後的物料粉碎，在750℃的馬夫爐內氧化煅燒脫碳，最後得到灰色的氮化鋁粉體。
實施例2將例1中的氧化鋁換成超細氫氧化鋁，煅燒溫度為1550℃，也得到同樣的結果。
實施例3以工業氫氧化鋁為原料，首先將1000g氫氧化鋁與15克硼酸添加劑混合，在900℃下煅燒2小時，取200g煅燒後的氧化鋁，放入1000ml的燒杯中，加入200ml的去離子水，然後加入硝酸鋁25g，然後加入表面活性劑溶液，用硝酸調整PH值在2之間，邊攪拌邊加入70g超細碳粉，加完碳粉後，攪拌30分鐘，緩慢加入氨水，調整PH值至13之間，這時漿體變成了一個整體的凝膠狀物質，將凝膠在90℃的乾燥箱中乾燥，乾燥後的凝膠破碎成2～8mm的小顆粒，將小顆粒放入真空碳管爐內，控制氮氣流量在20～25ml/s，燒結溫度為1800℃，時間為2小時。煅燒後的物料粉碎，在800℃的馬夫爐內氧化煅燒2小時脫碳，最後得到灰色的氮化鋁粉體。
實施例4以工業氫氧化鋁為原料，首先將1000g氫氧化鋁與15克硼酸添加劑混合，在800℃下煅燒4小時，取200g煅燒後的氧化鋁，放入1000ml的燒杯中，加入200ml的去離子水，然後加入硝酸鋁25g，然後加入表面活性劑溶液，用硝酸調整PH值在2之間，邊攪拌邊加入70g超細碳粉，加完碳粉後，攪拌30分鐘，緩慢加入氨水，調整PH值至13之間，這時漿體變成了一個整體的凝膠狀物質，將凝膠在80℃的乾燥箱中乾燥，乾燥後的凝膠破碎成2～8mm的小顆粒，將小顆粒放入真空碳管爐內，控制氮氣流量在20～25ml/s，燒結溫度為1500℃，時間為6小時。煅燒後的物料粉碎，在600℃的馬夫爐內氧化煅燒4小時脫碳，最後得到灰色的氮化鋁粉體，所製備出來的氮化鋁粉體顆粒細小，無硬團聚，同時反應溫度較低。
權利要求
1.一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法，其特徵在製備過程是將在氫氧化鋁與氟化物和/或硼化物添加劑混合，在500～900℃溫度下煅燒2～4小時，得到一種多孔的活性氧化鋁，再把粉碎後的活性氧化鋁在水中配製成為懸浮液，加入鋁鹽、碳粉進行凝膠化，經乾燥、粉碎後通入氮氣還原得到氮化物粉體。
2.根據權利要求1所述的一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法，其特徵在於加入的添加劑的量為0.5％～3.5％。
3.根據權利要求1所述的一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法，其特徵在於懸浮液配製中在60～90℃的水浴條件下加入鋁鹽，鋁鹽為硝酸鋁、氯化鋁、硫酸鋁中的一種或二種以的混合物。
4.根據權利要求1所述的一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法，其特徵在於加入鋁鹽後的懸浮液在60～90℃的水浴條件下，加入表面活性劑，用無機酸調整懸浮液的PH值為0～6之間，攪拌5～60分鐘。
5.根據權利要求1所述的一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法，其特徵在於向懸浮液中添加超細的碳黑，碳黑加入的摩爾數為懸浮液中總鋁摩爾數的1.5～3倍，加入碳黑時應緩慢加入，同時攪拌，使得加入的碳黑與氧化鋁一起形成懸浮液，此過程在60～90℃的水浴條件下進行。
全文摘要
一種碳熱還原法製備氮化鋁粉體的方法，涉及碳熱還原法製備氮化鋁粉體工藝的方法。其特徵在製備過程是將在氫氧化鋁與氟化物和/或硼化物添加劑混合，在500～900℃溫度下煅燒2～4小時，得到一種多孔的活性氧化鋁，再把粉碎後的活性氧化鋁在水中配製成為懸浮液，加入鋁鹽、碳粉進行凝膠化，經乾燥、粉碎後通入氮氣還原得到氮化物粉體。所製備出來的氮化鋁粉體顆粒細小，無硬團聚，同時反應溫度較低。
文檔編號C01B21/072GK1631772SQ20041010280
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月28日 優先權日2004年12月28日
發明者陳瑋, 馬豔紅, 王慶偉 申請人:中國鋁業股份有限公司