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第26卷第3期
化学学报
ol.26 No
2010年3月
CHINESE JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY
464-468
氮化铝粉体制备工艺研究
肖劲邓松云*吴胜辉陈燕彬李劼
中南大学治金科学与工程学院,长沙410083)
摘要:以氢氧化铝为铝源,乙炔黑为碳源,采用碳热还原和铝粉直接氮化同时进行,并辅以微波加热的新工艺制备了氮化铝粉
体。结果表明,采用该工艺在反应温度为1300℃、反应时间为1h的条件下能获得氮化率高且分散性能良好的氮化铝粉末,该
T艺反应活化能仅为常规碳热还原法所需活化能的14。
关键词:氮化铝;制备工艺;活化能
中图分类号:0614.3*1:0613.61:TQ174文献标识码:A文章编号:1001-4861(201003-0464-05
Preparation Technology of Aluminium Nitride
XIAO Jin DENG Song-yun"WU Sheng-hui CHEN Yan-bin LI ie
(College of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083)
Abstract: Aluminium nitride(A N )powder was prepared by carbon thermal reduction method and aluminum powder
direct-reduction method as well as microwave heating using aluminum hydroxide and acetylene black as aluminum
source and carbon souree. The results show that the pure AIN powder with good dispersivity can be obtained only b
heating at 1 300 C for I hour when the new technique is used. Moreover, activation energy calculation result shows
that the activation energy can reduce 3/4 in the process of the new technique comparing with the general carbon
thermal reduction reaction
Key words: aluminium nitride powder; preparation technology; activation energy
氮化铝(AIN陶瓷的制备工艺和性能均受到粉
铝粉直接氮化法例的反应温度一般在800
体特性的直接影响,要获得高性能的AIN陶瓷,制1200℃。该方法的优点是工艺简单,能在较低的温
备性能优良的AIN粉体是首要因素,因为AIN粉体度下进行合成,适合于工业上大批量生产的要求;缺
的纯度、粒径大小及分布、颗粒形态等对氮化铝的成点主要是铝粉转化率低,反应过程难控制,产物易结
型和烧结有重要影响,特別是AIN粉体中的氧杂质块,产品质量差等。因为金属铝在660℃时开始熔
会严重降低热导率叫,因此,粉体制备是AN陶瓷生化,大约在800℃开始与N2进行反应,所以Al粉在
产中的一个重要关键环节。
合成温度时易熔化和团聚,造成N2扩散困难,难以
氮化铝粉体的制备方法很多四,目前研究最多的和AI粉充分进行反应,转化率低。并且,随着反应的
主要有:铝粉直接氮化法、Al0碳热还原法、化学气继续进行,A1粉颗粒表面上逐渐生成氮化物膜,使
相沉积法、高温自蔓延合成法以及等离子化学合成氮难以进一步渗透,阻碍氮化反应。这都是造成Al
法。其中,前两种方法是研究最早的方法,已经应用粉转化率低,产品团聚、质量差,反应过程难以控制
于工业化大规模生产。但是,这两种方法各有优劣。的因素。另外,生成的氮化铝粉体容易自烧结,形成
收稿日期:2009-09-14。收修改稿日期:2009-11-14
国家科技支撑计划课题资助N.2009BAE85BO2)
通讯联系人。E-mail:aeric@163.com
第一作者:肖劲,男,42岁,教授;研究方向:有色金属治金,超细材料、功能电极材料。
第3期
肖幼等:氮化铝粉体制备工艺研究
闭聚,需要将生成的AIN粉体再进行球磨,这样延
按照一定比例分别称取氢氧化铝和乙炔黑(控
长了工艺周期,提高了生产成本,并且球磨粉碎过程制C/AI原子比为3:1)以及5wt%~20wt%的铝粉混合
中容易带入杂质,影响产品纯度。
球磨5h,将球磨后的料浆干燥、粉碎后得到前驱物
Al2O3碳热还原法是将高纯氧化铝粉体与碳黑粉料。将前驱物粉料置于微波高温烧结炉内,在特定
粉休作为起始原料,经过球磨混合均匀,在流动的氮的升温曲线下通入氮气,反应完成之后,得到的反应
气气氛中高温(一般高于1530℃)氮化,反应生成产物为AIN和C混合的黑色粉末,将反应产物进行
AlN,再经脱碳处理,得到纯净的氮化铝粉体
脱碳处理,即得到灰白色氮化铝粉体。
Al20 +3C+N2=2AN+3CO
结果与讨论
这种方法具有原料来源广、成本低(可以用比氧
化铝成本更低的铝土矿作原料),工艺过程简单,能2.1微波氮化反应中添加铝粉对氮化铝转化率的
大批量生产,合成的产品具有粒度分布均匀,纯度
影晌
高,不易团聚,易于烧结等优点,是在目前工业生产
实验考察了在合成温度为1300℃、保温时间
中最主要的方法。但是该方法最大的缺点是合成温1h下添加铝粉前后以及铝粉添加量对氮化铝转化
度高,反应时间长。
率的影响。图2为添加铝粉前后反应产物脱碳后的
将新等研究发现,与γ-Al2O相比,Al(OH)2具XRD图(铝粉添加量为10wt%),表1是不同铝粉添
有更高的反应活性,能提高产物氮含量。综合上述两加量( Aluminum powder content所得产物的氮化铝
种常用的氮化铝制备方法,本工作以AI(OH)、乙炔转化率( AIN yield),图3为分别添加10wt%铝粉(a)和
黑以及铝粉为原料,采用Al203碳热还原与铝粉直添加20wt%铝粉(b)的SFM图。
接氮化相结合的方法,并辅以微波加热方式间制备
从图2可以看出,在1300℃、反应时间1h的
了氮化铝粉体,该工艺针对上述两种方法而言做到实验条件下,不加铝粉时所产生的前驱物不能完全
了扬长避短,同时具有工艺控制简单、反应温度低、被还原氮化,产物中还有一部分a-A2O3;而加人
合成时间短、颗粒分散性好以及氮化铝转化完全等10t%铝粉后反应产物碳化后的XRD图显示为纯
优点。
相氮化铝,这是因为添加的铝粉在800℃左右就可
1实验部分
以与氮气首先反应,形成细小且分散的氮化铝晶粒
这些晶粒在整个反应中起着晶种的作用,大量晶种的
实验所用原料有氢氧化铝(化学纯)、乙炔黑(灰形成,对促进氧化铝的氮化具有积极的诱导作用。在
份小于0.05%,比表面积为156m2-gり、铝粉(纯度大接下来的铝粉添加量对产物氮化铝转化率的影响实
于99%,粒度小于50um),普通N(纯度约为98%);验中(表1),我们发现,