自蔓延高温合成高纯超细氮化铝粉末的制备方法

摘要

自蔓延高温合成高纯超细氮化铝粉末的制备方法,属于陶瓷超细粉末制备领域,特点是原料配料(重量%)为:Al粉占25—33%,A1N粉占66—74%,NH4Cl占0.5—1.9%,把原料按比例混合均匀后,松装入带铝箔内衬的石墨容器中,然后用中空玻璃管打通气孔,孔大小为Φ10—15mm,间隔为Φ10—20mm,把上述容器放入反应器中抽真空后通5—15MPa氮气,渗氮后的产物稍磨即为高纯超细A1N成品,本发明具有反应温度低,氮化完全,每次装入的反应物多,A1N中Cl－残余量少等优点。

说明书

本发明属于陶瓷粉末制备领域。特别适用于制备高纯超细氮化锯(AlN)陶瓷粉末。

AlN陶瓷具有高导热率、高电绝缘性、高强度、高硬度和低热膨胀系数等优异的物理化学性能，作为重要的陶瓷基板和封装材料越来越受到材料界的重视。而高纯超细AlN粉末是制备高性能AlN陶瓷的基础。

AlN粉末的制备方法主要有四种：(1)Al₂O₃碳热还原法；(2)Al粉直接氮化法；(3)醇盐法；(4)自蔓延高温合成法。前三种方法共同的缺点是耗能严重，粉末成本较高。而自蔓延高温合成法节约能源，效率较高。但在已公开的用自蔓延高温合成法制备AlN的专利中，都存在着不同的局限性。如日本海田义也等发明的“氮化物的制备方法”(昭64-76906)利用液氮为氮源，液氮利用率低，成本较高，同时不能有效去除反应器中混入的氧气，产品含氧量较高。而日本宫本钦生等发明的“氮化铝粉末及其粉末组成物的制备方法”(平1-26494)，要将Al和AlN的混合物预先压块，工序复杂，同时压块只有φ11×15mm大小，产量较小。而压块后的产物难于破碎为超细粉末。中国庄汉锐等发明的“自蔓延高温合成氮化铝粉末的制备方法”(CN1142477A)基本克服了前两种方法存在的缺点，但是反应物料中Al粉所占比重较大，反应温度较高，生成的AlN颗粒较大。同时铵盐的加入量过高，达到Al和AlN混合物的2-8％，使合成的AlN成品中残留的Cl^-或F^-较多。另外，由于受气体渗透能力的限制，尽管装粉的容器壁上有通孔，但装粉量依然很少，只达到200×400×30-40mm，不能满足工业化生产的要求。

本发明的目的是提出一种利用自蔓延高温合成工艺高效地制备高纯超细AlN粉末的方法。

根据本发明的目的，本制备方法的原理是常规自蔓延高温合成法的原理，即通过局部点燃原材料，利用其反应放热促使相邻反应物参加反应，从而保证整个反应进行完全。

根据本发明的目的和原理，我们所提出的生产方法是：

(1)配料：采用铝粉、氮化铝粉、NH₄Cl作原料，其配比为(重量％)Al粉占25-33％，AlN粉占66-74％，NH₄Cl占0.5-1.9％，其中铝粉采用符合GB-2085-89标准·超细铝粉，平均粒径为13μm，氮化铝为小于10μm的复合颗粒半成品，NH₄Cl为市售化学药品；

(2)混合、装料：把上述三种原料混合均匀，把混匀的反应物松装于带铝箔内衬的石墨容器中，容器的形状由反应器内腔形状决定，本发明中使用的容器为长方形，大小为1000×200×200mm，然后用中空玻璃管在反应物料中打出通气孔，其孔大小为φ10-15mm，间隔为φ10-20mm；

(3)高压氮化：把上述装好物料的容器再装入高压反应器中抽真空后充入5-15Mpa氮气，由金属丝通电加热点燃反应物，并由水冷系统冷却，反应产物经清理后稍磨即为亚微米级高纯超细AlN成品。

本发明方法与现有技术相比，具有如下特点：

1、反应物料中稀释剂AlN所占比重较大，使反应温度较低，Al粉氮化更加完全，N含量波动较小，且生成的AlN颗粒细小，达到亚微米级。

2、加入氨盐添加剂的量较少，只为总料量的0.5-1.9wt％，既起到促进氮化作用，又使生成的AlN中Cl^-的残余量较少，提高产品纯度。

3、在反应物料中打通气孔而不是在容器壁上打通孔，有利于气体渗透充分，保证Al粉氮化完全。同时，由于改善了气体渗透条件，可使每次装入的反应物较多，达到工业化生产水平。

实施例

根据本发明制备方法的要求，我们一共配制五种不同配料比的材料，具体配比见表1，将配好的原料混匀后松装于容器中，并用玻璃管均匀打孔后放入反应器中，抽真空后充入5-15MpaN₂气，用金属丝通电点燃后由反应器的水冷系统冷却。产物冷却后清理掉表面挥发物，稍加研磨便为高纯超细ALN成品，其性能参数见表2。

表1本发明实施例中反应物配比(重量百分比)

    序号成分  1 2 3 4 5 Al 26 28 30 32 32 AlN 73.5 71.2 69 66.8 66.5 NH₄Cl 0.5 0.8 1 1.2 1.5

表2本发明实施例中AlN成品的性能参数

    参数序号   N   O   Fe Cl^-  C d₅₀(μm)1 33.5 0.20    0.06 0.010 0.009   0.42 2 33.6 0.15    0.05 0.010 0.008   0.50 3 33.4 0.13    0.05 0.009 0.008   0.46 4 33.3 0.17    0.04 0.008 0.009   0.52 5 33.4 0.19    0.05 0.010 0.007   0.50