中國粉體網(wǎng)訊 氮化鋁(AlN)作為一種性能優(yōu)異的陶瓷材料及第三代半導(dǎo)體材料，近年來國內(nèi)外研究者對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域的研究越來越深入。
要獲得性能優(yōu)異的AlN陶瓷材料，首先必須制備出高純度、小粒度、窄粒度分布、性能穩(wěn)定的AlN粉體。
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合成方法簡述
目前制備AlN粉體的主要方法有：直接氮化法、Al2O3碳熱還原法、自蔓延燃燒法、等離子體合成法、氣溶膠法等。
其中前2種方法已適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。直接氮化法工藝簡單，能在較低的溫度下進(jìn)行合成，但是該方法合成AlN時(shí)，Al粉轉(zhuǎn)化率較低，易產(chǎn)生團(tuán)聚，產(chǎn)品質(zhì)量差，反應(yīng)過程難以控制。
碳熱還原法原料來源廣，成本低(可以用比氧化鋁成本更低的鋁土礦作原料)，工藝過程簡單，合成的產(chǎn)品具有粒度分布均勻，純度高，不易團(tuán)聚，易于燒結(jié)的特點(diǎn)，并且能大批量生產(chǎn)，是一種較理想的工業(yè)化生產(chǎn)AlN粉末的方法。但過量碳粉必須在反應(yīng)完全之后于600～900℃的干燥空氣中進(jìn)行脫碳處理，增加了生產(chǎn)的成本。
等離子體合成法、氣溶膠法在一定程度上可以得到性能優(yōu)良的粉體，但它只適用于實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模生產(chǎn)。
自蔓延燃燒法在合成難熔材料方面具有合成時(shí)間短、能耗低、產(chǎn)品純度高的優(yōu)點(diǎn)；在提高氮化速度、Al粉的轉(zhuǎn)化率方面也有顯著作用。下面我們來重點(diǎn)了解一下自蔓延燃燒法制備氮化鋁。
什么是自蔓延燃燒法？
自蔓延燃燒法(簡稱SHS)是利用原始化學(xué)反應(yīng)原料自身燃燒反應(yīng)放出的熱量使化學(xué)反應(yīng)過程自發(fā)持續(xù)進(jìn)行，以獲得具有指定成分與結(jié)構(gòu)產(chǎn)物的一種新型材料合成手段。
以制備AlN為例，就是利用鋁粉氮化反應(yīng)時(shí)燃燒釋放的熱量使反應(yīng)過程持續(xù)自發(fā)進(jìn)行，以獲得高純度AlN粉體。其反應(yīng)過程如下：
2Al+N2=2AlN
該法的本質(zhì)與Al粉直接氮化法相同，但該法不需要在高于1000℃的高溫下長時(shí)間對(duì)鋁粉進(jìn)行氮化，除引燃外無需外部熱源。
自蔓延燃燒法優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
可快速并大量生產(chǎn)，成本低廉；制備過程與設(shè)備簡單，能耗低，節(jié)能環(huán)保；伴隨燃燒所產(chǎn)生的高溫可將反應(yīng)物中易揮發(fā)的雜質(zhì)氣化并從反應(yīng)物中移除；可合成各種不同形狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，如多孔塊狀物、致密粉體等；可進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計(jì)（依不同需求）并與其它制備過程相結(jié)合，制備過程的設(shè)計(jì)空間相當(dāng)大。
缺點(diǎn)：
一方面由于反應(yīng)迅速，故反應(yīng)過程不易控制；另一方面該法制備的AlN粉體粒徑大，純度低，制作的AlN陶瓷熱導(dǎo)率偏低，常作為鋼鐵、橡膠和塑料等行業(yè)的添加劑。
自蔓延燃燒法的優(yōu)化
采用自蔓延燃燒法合成氮化鋁的首要問題是：如何降低制備過程中氮?dú)鈮毫腿紵郎囟炔⒁种埔蚍磻?yīng)過快而導(dǎo)致的結(jié)塊現(xiàn)象。
近來，主要解決辦法是加入適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑來獲得一次性均勻、分散的疏松粉體，來避免雜質(zhì)的引入和成本升高。有研究者認(rèn)為有效的燒結(jié)助劑應(yīng)該滿足以下4個(gè)原則：
1、和AlN顆粒表面Al2O3反應(yīng)生成的化合物的液化溫度應(yīng)該低于1600℃；
2、在燒結(jié)過程中不要誘發(fā)AlN的分解和氧化；
3、應(yīng)該能以晶界析出Al2O3化合物的形式降低AlN晶格中的氧；
4、形成的Al2O3化合物應(yīng)該有不亞于AlN的導(dǎo)熱性，或者該化合物在晶界的含量要足夠低。
通過自蔓延燃燒法制備AlN陶瓷粉體的研究方興未艾，如果能在低溫低氮?dú)鈮毫l件下合成納米粉體，將會(huì)大大提高其燒結(jié)性能，應(yīng)用前景將更為廣闊。
由于氮化鋁具備優(yōu)異的性能，使其近些年來受到了極大的關(guān)注。尤其是隨著5G時(shí)代的到來，氮化鋁更是成為一種戰(zhàn)略性新材料。然而，我國目前高性能的氮化鋁粉基本依賴進(jìn)口，不僅價(jià)格高昂，而且存在原材料斷供的風(fēng)險(xiǎn)，因此，研究氮化鋁粉體制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高性能氮化鋁制造技術(shù)的國產(chǎn)化，成為當(dāng)務(wù)之急。
為促進(jìn)氮化鋁陶瓷基板產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，中國粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺(tái)將于2021年2月2日舉辦首屆“2021氮化鋁陶瓷粉體及基板技術(shù)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)”。為企業(yè)管理、技術(shù)人員提供一個(gè)深度交流、深入思考、磨煉內(nèi)功、強(qiáng)化自身的平臺(tái)。來自上海東洋炭素有限公司的陳衛(wèi)武博士將走近粉體公開課的直播間，給大家?guī)眍}為《燃燒合成工藝生產(chǎn)氮化鋁粉體》的報(bào)告。屆時(shí)，陳衛(wèi)武博士將詳細(xì)介紹該工藝的技術(shù)路線以及所涉及的粉體應(yīng)用和市場(chǎng)開發(fā)。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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