[发明专利]一种纳米氮化铝粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米氮化铝粉体的制备方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

氮化铝陶瓷具有高的热导率、与硅相匹配的线膨胀系数、低的介电常数、优良的电绝缘性能、耐腐蚀以及环保无毒等特点，已经替代氧化铝与氧化铍成为目前超大规模集成电路基板的首选材料，在现代电子与微电子等高新技术领域得到了广泛应用。然而，氮化铝属于共价化合物，其自扩散系数小，导致其难以烧结致密。为降低氮化铝陶瓷的烧结温度，研究者大多通过添加合适的烧结助剂，利用烧结助剂与氮化铝表面的氧化铝或者氮化铝本身反应生成低共熔物，再以液相烧结来实现降低氮化铝陶瓷烧结温度的目的，但由此引入的第二相将对氮化铝陶瓷的热导率产生负面影响。

除了添加适量烧结助剂能显著降低氮化铝陶瓷的烧结温度外，粉体的原始粒度与颗粒级配也是影响陶瓷烧结的重要因素。采用粒径细小的粉体为原料，将有助于缩短原子扩散距离、增加陶瓷烧结推动力，从而加速氮化铝陶瓷烧结的致密化过程。氮化铝陶瓷烧结过程中的传质为扩散传质，在烧结初期的颈部增长约与粒径的3/5次方成反比；从理论上计算可知，当原料的起始粒径从2μm降低到0.5μm时，烧结速率将增加81倍，相当于烧结温度降低150-300℃。Kuramoto等的研究表明，比表面积为3m²/g的氮化铝粉体，其致密化温度在1900℃以上，而比表面积为40-50m²/g的氮化铝粉体(对应的颗粒直径在80-100nm)，在1700℃烧结后基本能达到理论密度。Watari等的研究亦表明，氮化铝陶瓷的烧结性能与原始粉体的比表面积成正比，即粉体的比表面积越大、颗粒粒径越小，烧结性能越好。因此，制备出粒径细小、分散均匀的纳米级氮化铝粉体，将能有效促进氮化铝陶瓷的烧结进程，同时又因无第二相的引入而不会对陶瓷的热导率产生负面影响，具有重要的应用前景。

目前，制备纳米氮化铝的方法主要有等离子化学合成法、化学气相沉积法、湿化学结合碳热还原法等方法。等离子化学合成法是以单质Al为原料，在Ar、N₂和H₂等离子体射流中直接气化反应，得到平均粒径低于100nm的氮化铝粉体；该法制备的氮化铝粉体团聚少、平均粒径小，但由于该反应为非定态反应，只能小批量处理，不能实现连续生产。化学气相沉积法是使反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术；该法制备的氮化铝粉体粒径小，但由于工艺条件苛刻，同样难以满足工业规模化生产的要求。工业上生产氮化铝粉体的主要方法是碳热还原法，该法是将氧化铝粉体与碳粉混合，在流通的氮气中于1400～1600℃发生还原氮化反应，再在600～800℃的空气中除去多余的碳粉，从而获得高纯度的氮化铝粉体。目前，以微米级氧化铝粉体为原料，通过碳热还原法已经实现了高品质微米级氮化铝粉体的规模化生产。

若以碳热还原法制备出纳米级的氮化铝粉体，必须采用纳米级的氧化铝粉体为原料。科研工作者已经利用溶胶-凝胶法、共沉淀法和低温燃烧法等湿化学方法制备出分子级混合均匀的、粒径细小的铝源与碳源前驱体，进而通过碳热还原处理后获得纳米级的氮化铝粉体，在工业生产上显示出重要的应用前景。如秦明礼等以硝酸铝、葡萄糖、尿素为原料，采用硝酸盐-有机物低温燃烧及溶胶-凝胶工艺，在1550℃氮化90分钟后得到平均粒径在100nm的氮化铝粉体；Kuang等同样以硝酸铝、葡萄糖、尿素为原料，同时添加少量硝酸铵作为助燃剂，在1500℃下氮化即得到纳米级氮化铝粉体；何扬等采用异丙醇铝、蔗糖、尿素为原料，在1500℃氮化后得到粒径23nm、比表面积70m²/g的氮化铝粉体；秦明礼等以硝酸铝和碳黑为原料，利用化学沉淀法制备出混合均匀的Al₂O₃与C前驱物，在1550℃氮化4h后得到平均粒径在400nm、比表面积为4.26m²/g的氮化铝粉体；赵志江等以勃母石为铝源、蔗糖为碳源，在1480℃下氮化，得到平均粒径为350nm的氮化铝粉体。然而，由于铝源与碳源性质的不同，在湿化学制备过程中极易出现同类元素的偏聚而导致铝源与碳源的分布不均，从而影响到碳热还原法制备纳米氮化铝粉体的品质，致使最终产物还原氮化不完全、成分分布不均、氮化铝粉体颗粒直径分布不一致，甚至出现严重的团聚现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种高度分散铝源与碳源、经碳热还原反应后获得高品质纳米级氮化铝粉体的制备方法。

本发明提出的纳米氮化铝粉体的制备方法，包括以下步骤：