[發明專利]低溫碳熱還原氮化法制備高穩定性超細氮化鋁的方法

在審

• 申請號: 201611255143.2
• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN106629637A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 楊志平;張銀霞;趙金鑫
• 申請（專利權）人: 河北利福光電技術有限公司
• 主分類號: C01B21/072
• 分類號: C01B21/072
• 代理公司: 石家莊國域專利商標事務所有限公司13112
• 代理人: 蘇艷肅

技術領域

本發明涉及一種氮化鋁的制備方法，具體地說是涉及一種低溫碳熱還原氮化法制備高穩定性超細氮化鋁的方法。

背景技術

AlN陶瓷體積電阻率、擊穿場強、介電損耗等電氣性能優異，且介電常數低、機械強度高，熱膨脹系數接近硅，可進行多層布線，被視為新一代具有發展前景的優良絕緣散熱基片材料。

作為制備氮化鋁陶瓷的主要原料——氮化鋁粉末，通常要求其具有均勻的粒度分布、規則的形貌特征及較小的中心粒徑。氮化鋁粉末的粒徑越大，燒結得到的氮化鋁陶瓷致密性越差，嚴重降低氮化鋁陶瓷的導熱率。為達到氮化鋁陶瓷的燒結致密性，通常要求氮化鋁粉末的粒徑為0.6～2.5μm，且粒徑分布均一；還要求氮化鋁粉末的雜質含量極低，尤其是氧含量應控制在1％以下，因雜質氧會嚴重降低氮化鋁陶瓷的導熱性能；此外，氮化鋁粉末的顆粒形貌應接近球形，表面光滑，團聚較少。因此，需要提高氮化鋁的純度，控制的雜質含量及顆粒團聚，是制備AlN粉末的關鍵。

目前常用的制備氮化鋁粉末的方法有：碳熱還原氮化法、金屬直接氮化法、化學氣相沉積法等多種制備方法。專利CN201510509241.3公開了采用金屬直接氮化法制備氮化鋁，該方法將金屬鋁粉在高溫熔融爐中與氨氣和氮氣的混合氣反應，反應結束后進入冷卻爐中進行冷卻，并收集氮化鋁產品，但該工藝所制備的氮化鋁存在粒度分布不均、反應不徹底、團聚現象嚴重、形貌不均一等不足。化學氣相沉積法或熱解法則是基于鋁的揮發性化合物與氨的化學反應，從氣相中沉積氮化鋁，該方法可以制備出高純且粒徑分布均勻的氮化鋁粉末，但工藝比較復雜、成本高，難以實現大規模生產。

采用碳熱還原法制備氮化鋁原料來源廣泛，設備簡單，是制備氮化鋁粉末的工業化生產方法，但該工藝合成溫度較高，反應時間較長，粉末粒徑較大。因此，采用碳熱還原法制備小粒徑的氮化鋁粉末，需要降低合成溫度，控制氮化鋁的粒徑生長。

此外，氮化鋁與水具有較高的反應活性，在空氣中或水中極易潮解形成氫氧化鋁，降低燒結后所形成的氮化鋁陶瓷的導熱性，使得氮化鋁的貯存、運輸及后續工藝過程尤為困難，因此需要采取必要措施控制氮化鋁的水解。

發明內容

本發明的目的就是提供一種低溫碳熱還原氮化法制備高穩定性超細氮化鋁的方法，以解決現有方法中氮化鋁合成溫度高，反應時間長，粒徑較大，所得氮化鋁易水解等問題。

本發明的目的是這樣實現的：

一種低溫碳熱還原氮化法制備高穩定性超細氮化鋁的方法，包括如下步驟：

(a)制備前驅體混合物：將粒徑為0.3～1.5μm的氧化鋁粉末、粒徑為13nm的炭黑及粒徑為3μm的燒結助劑充分混合，得到混合均勻的前驅體混合物；

(b)低溫合成：將混合均勻的前驅體混合物放入燒結爐中，排除空氣后通入氨氣與氫氣的混合氣，反應溫度為1250～1350℃，保溫2～5h；

(c)脫碳處理：將燒結爐中制備出的氮化鋁粉末在馬弗爐中于700℃空氣氛圍下脫碳2h，得到灰白色氮化鋁粉末；

(d)AlN表面處理：將步驟(c)所得到的灰白色氮化鋁粉末在羥基亞乙基二磷酸和磷酸二乙胺的混合溶液中浸泡5～10h，即得所需氮化鋁粉末。

步驟(a)中，炭黑與氧化鋁的質量比為0.5∶1。

步驟(a)中，所述燒結助劑為氟化鈣，燒結助劑占前驅體混合物的3wt％。

步驟(a)中，將粒徑為0.3～1.5μm的氧化鋁粉末、粒徑為13nm的炭黑及粒徑為3μm的燒結助劑在無水乙醇中球磨24h，然后放入80℃烘箱中烘干，之后過200目篩，即可得到混合均勻的前驅體混合物。

步驟(b)中，氨氣與氫氣混合氣的氣體流速為0.5～0.8L/min，氫氣的體積百分數為10～40％。

步驟(b)中，所采用的燒結爐為剛玉管式爐，以除去粉末中的空氣，并對體系進行抽真空處理，使反應體系處于絕氧狀態。

步驟(d)中，羥基亞乙基二磷酸和磷酸二乙胺的體積比為10～1∶1。

步驟(d)中，浸泡溫度為25℃，浸泡后，再經過濾、無水乙醇洗滌3次、干燥即可得到所需氮化鋁粉末。