氮化铝陶瓷粉体制备方法研究进展
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摘 要：氮化铝陶瓷属优质陶瓷材料，自身热导率高、电绝缘性良好、介电常数及损耗低，受到高功率电子生产行业广泛欢迎。氮化铝陶瓷主要应用在高导热基板材料和高功率电子器件封装上，其自身优势性能对促进机械电子行业发展有重要作用。该文就高质量氮化铝陶瓷粉体制备进行详细分析，分析其技术进展，旨在为深入了解氮化铝陶瓷粉体制备方式，为相关部门深入氮化铝陶瓷研究提供有力参考。
关键词：氮化铝陶瓷 粉体 制备方法 研究进展
中图分类号：O614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）06（c）-0073-02
氮化铝（Aluminum nitride，AlN）属六方纤锌矿共价键化合物，呈灰白色，导热率高，高温下材料稳定，可和硅材料热膨胀系数相匹配，为理想的电子封装散热材料，对一些对散热要求较高的设备而言，以氮化铝为支持，可以增加设备自身散热性能，实现设备稳定工作在电子机械中应用广泛，可以减小传统电子散热器体积，降低成本[1]。
1 氮化铝陶瓷性能
氮化铝陶瓷性能和其粉体纯度有直接联系，粉体杂质将降低陶瓷热导率，进而导致气孔及杂质对声子散射。其中，O原子固溶进氮化铝晶格，占据N原子位置，导致Al空缺，形成声子，降低热导率。若氮化铝陶瓷含氧量为0.12wt%，热导率对应为185W/（m.K），氮化铝陶瓷含氧量增加到0.31wt%，热导率对应降低为130W/（m.K）。
此外，杂质存在还影响陶瓷绝缘性，若氮化铝粉体中Si、Fe等元素含量在2x10-4以上，则氮化铝绝缘性明显下降。细小粉体及较窄力度分布，则可提高氮化铝陶瓷烧结性能，提高其的热传导及绝缘性。
2 氮化铝陶瓷粉体制备方法
氮化铝陶瓷粉体制备方式较多，有铝粉直接氮化法、Al2O3碳热还原、自蔓延高温合成、溶剂热合成、等离子化学合成、化学气相沉积法等[2]。其中，铝粉直接氮化法、Al2O3碳热还原、自蔓延高温合成方式开展由来已久，已形成规模化应用 ，溶剂热合成为近几年氮化铝陶瓷粉体制备新方式，可制备出结晶度良好的纳米材料。等离子化学合成虽制备的AIN粉体粒度小，但纯度低，操作复杂。化学气相沉积法制备中出产物易出现粉体团聚。以下针对前4种制备方式详细分析。
2.1 铝粉直接氮化法
将Al在N2中直接加热，Al转化为AlN：
2Al+N2=2AlN
600℃环境下，氯和氮发生反应，温度越高，氧化速度越快。上述反应式反应速度快，产物高温凝结，铝粉表面有氮化物膜生成，导致氮气不能深入渗透，减缓氮化速度[3]。为避免粉体团聚，可采用粒度细或活化度高的铝粉，减低氮化温度，提高反应速度。
2.2 Al2O3碳热还原法
将超细氧化铝粉混合碳粉，置于流动氮气中，以碳对Al2O3还原，还原出Al和氮气，流动环境下生成AlN。
Al2O3+3C+N2=2AIN+3CO
由式子可得到，碳热还原中，要求Al2O3及C物质存在1∶3比例，为确保Al2O3完全转化，需投入充足的碳。融入大量碳，可加快反应，提高反应效率，增加粒度均匀性。但是，此方式需在反应后，600℃～900℃空气中进行脱碳。反应得到AlN，其质量受原料及氮化温度影响较大，原料不同，碳热反应氮化温度也存在差异性。
为确保低温可获取高质量AlN，选择机械活化后达到纳米级Al2O3结合炭黑作为原料，碳热反应氮化温度控制1100℃～1250℃。Al2O3碳热还原中还会加入CaO、CaF2等物质，催化反应，降低活化能。
2.3 自蔓延高温合成法
Al在高压状态下被热源点燃，和N2反应，产生高化学反应热，反应自维持，转化为AlN后，反应停止。
2A1+N2=2A1N
采用该方式制备，需先对Al引燃，之后无需其他热源投入。该方式制备简单，耗能少，可快速获取所需位置，也可通过燃烧移除反应物中易挥发杂质。纯化粉质。反应后，可合成粉体、多孔杂块物质等。反应中需快速升温、降温，氮气压力大，若氮气压力达到180MPa，无法获取高质量AlN。可采用NH4F作为氮化剂，NH4F氮化分解，转化为NH3、HF，在较低氮气压力下生成高纯度AlN粉体。
2.4 溶剂热合成法
氮化铝粉体生成对温度及压力有要求，且生成后反应活性高，易水解，可采用溶剂热合成方式支持，保证其稳定性：密闭系统中，以有机溶剂为支持，加热制定温度，溶剂产生压强，物质发生化学反应，生成新物质。
例如，采用AlCl3、NaN3反应物，200℃高温下，加入二甲苯，以不锈钢反应釜合成氮化铝，以700℃退火后，得到高质量氮化铝纳米晶。
AlCl3+3NaN3=AIN+3NaCl+4N2
采用该方式制备，在N2保护的设备中完成，水、氧对制备结果影响不大。溶剂热条件下发生多种反映，生成氮化铝纯度和反应温度呈正比关系。加入一定表面活性剂，可提高氮化铝结晶度。溶剂热合成法在常压下完成，制备简单，反应温度低，操作安全，制备能耗较低。
3 总结分析
氮化铝粉体基本制备方式主要为Al2O3碳热还原法及铝粉直接氮化法，该技术应用由来已久，在工业化的生产中有广泛应用。自蔓延高温合成法是在Al2O3碳热还原法及铝粉直接氮化法基础上衍生的制备方式，制备具有很大潜力。但是自蔓延高温合成法对设备要求较高，实际实施可行性不高。采用溶剂热合成法制备，制备氮化铝粉纯度高，且制备简单，对设备要求不高，操作较安全，具有实际推广意义。
4 优化氮化铝制备方式分析
要确保氮化铝制备稳定性，主要解决水解、氧化及添加剂、温度、杂质对氮化铝制备的影响。对氮化铝制备方式的优化，就应向氮化铝粉体自身的抗水解性进行详细分析，研究通过科学的热处理技术，融入表面改性技术，确保氮化铝粉体自身稳定。
为提高氮化铝粉体整体质量稳定性，可以在其高温处理中，适当地融入一定的氧氣，通过通入氧气的方式，对氮化铝粉体表面产生一定保护，氧气和氮化铝粉体反应，形成围绕氮化铝粉体的氧化铝薄膜，控制氧化铝及水发生共同反应。通过加入适当的氧气，在氮化铝粉体的制备中，发现氧气融入后，氧化的温度不断升高，而氮化铝粉体的水解率大大下降，在800℃温度支持下，发现氮化铝粉体就有良好的抗水解性。通过热处理，氮化铝粉体的化学性质稳定性大大提高，且采用热处理，其投入成本低，可扩大制备。但是热处理工艺也有其缺点，其实际处理温度较高，可能导致氮化铝粉体状态不稳，有过度氧化出现，影响氮化铝粉体整体质量。因此，在实际制备过程中，需控制好对氮化铝粉体的热处理，稳定温度范围，控制在800℃～900℃以内，从而可以灵活控制热处理中的氧气分压，减小其对铝陶瓷热导率所造成的影响。
5 结语
综上所述，对氮化铝陶瓷粉体制备方法研究进展分析，应了解氮化铝陶瓷性能及其不同的制备方式，了解不同工艺尤其自身特点及弊端，在氮化铝陶瓷粉体制备中，需从制备工艺、投入成本等方面考虑，对于氮化铝陶瓷粉体制备中容易出现的氧化及水解，通过在其高温处理中，适当地融入一定的氧气，提高氮化铝陶瓷粉体稳定性，为促进相关产业长久发展奠定坚实的基础。
参考文献
[1] 倪红军，倪威，马立斌，等.高导热AlN陶瓷基片制备技术研究现状及发展趋势[J].现代化工，2017，37（7）：45-48.
[2] 孙跃军，荀冬雪，刘民.纳米氧化铝粉体制备方法与工艺的研究进展[J].中国材料进展，2017，36（6）：455-460.
[3] 王宇，谢建军，汪暾，等.超细AlN粉体合成与陶瓷制备研究[J].功能材料，2017，48（4）：4136-4140.
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