基于尿素/三聚氰胺氮源制备氮化铝陶瓷粉体的方法技术

一种基于尿素/三聚氰胺氮源制备氮化铝陶瓷粉体的方法，按以下步骤进行：(1)准备原料；(2)将九水硝酸铝溶于水中，加入偶联剂和聚乙二醇，搅拌均匀；(3)加入沉淀剂，搅拌至形成凝胶；醇洗后过滤获得凝胶；(4)凝胶放入无水乙醇中，在搅拌条件下加入酚醛树脂，搅拌形成糊状体；经烘干、煅烧和研磨获得前驱体粉体；(5)与氮源研磨混合，置于加热炉内，在加热炉内气压高于大气压下升温至950～1500℃进行氮化合成；随炉冷却研磨制成粗粉体；(6)加热至550～650℃进行除碳。本发明专利技术的方法以活性较高的尿素/三聚氰胺替代氮气为氮源，结合表面改性分散技术，使铝源和碳源之间达到原子或分子级别的均匀混合，降低碳热还原反应的温度。

Preparation of Aluminum Nitride Ceramic Powder Based on Urea/Melamine Nitrogen Source

A method for preparing aluminum nitride ceramic powder based on urea / melamine nitrogen source is carried out according to the following steps: (1) preparing raw materials; (2) dissolving nine water aluminum nitrate into water, adding coupling agent and polyethylene glycol, stirring evenly; (3) adding precipitating agent, stirring to form gel; washing after washing and obtaining gel; (4) adding gelatin into absolute ethanol and adding phenolic resin under stirring condition. Paste is formed by stirring; precursor powders are obtained by drying, calcining and grinding; (5) mixed with nitrogen source grinding, placed in a heating furnace, where the pressure is higher than atmospheric pressure and the temperature rises to 950-1500 C for nitriding synthesis; crude powders are prepared by grinding with furnace cooling; (6) heated to 550-650 C for carbon removal. The method of the invention takes urea/melamine with high activity as nitrogen source instead of nitrogen, and combines surface modification and dispersion technology to achieve uniform mixing between aluminium source and carbon source at atomic or molecular level, thereby reducing the temperature of carbothermal reduction reaction.

【技术实现步骤摘要】
基于尿素/三聚氰胺氮源制备氮化铝陶瓷粉体的方法
本专利技术属于材料
，特别涉及一种基于尿素/三聚氰胺氮源制备氮化铝陶瓷粉体的方法。
技术介绍
氮化铝是一种综合性能优良的陶瓷材料，随着研究的不断深入，氮化铝的制备工艺日趋成熟，其应用范围也不断扩大；尤其是进入21世纪以来，随着微电子技术的飞速发展，电子整机和电子元器件正朝着微型化、轻型化、集成化，以及高可靠性和大功率输出等方向发展，越来越复杂的器件对基片和封装材料的散热提出了更高的要求；传统的树脂基板与氧化铝陶瓷基板，其热导率均在30W/(m·K)以下，远不能满足大规模集成电路以及复杂器件的发展需要；氮化铝陶瓷的理论热导率为320W/(m·K)，并具有良好的电绝缘性、低的介电常数和介电损耗、与硅有良好匹配的热膨胀系数，还具有良好的化学稳定性和环保无毒等优点，已成为当今最为理想的基板材料和电子器件封装材料。目前生产氮化铝陶瓷粉体的方法主要有铝粉直接氮化法、碳热还原法和高能球磨法；在铝粉直接氮化法中，由于铝粉氮化反应为强放热反应，反应过程不易控制，放出的大量热量易使铝形成融块，阻碍氮气的扩散，造成反应不完全，反应产物往往需要粉碎处理，因此难以合成高纯度、细粒度的产品；在碳热还原法中，氧化铝和碳的混合粉体在高温、流动N2气中发生还原氮化反应，生成AlN粉末；该方法采用的氮源是流动惰性气体—氮气，需要较高的温度(1500～1800℃)才能发生碳热还原反应，致使颗粒长大，烧结活性降低；在高能球磨法中容易引入杂质，导致粉体的纯度较低，该方法至今未得到大幅度的推广使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于尿素/三聚氰胺氮源制备氮化铝陶瓷粉体的方法，采用活性较高的尿素或三聚氰胺代替流动惰性氮气作为氮源，采用表面分散剂使铝源和氮源均匀混合，在低温碳热还原获得氮化铝陶瓷粉体。本专利技术的方法按以下步骤进行：1、准备铝源九水硝酸铝，沉淀剂碳酸氢铵溶液或氨水，表面活性剂偶联剂和聚乙二醇，碳源酚醛树脂，氮源尿素或三聚氰胺；其中偶联剂为九水硝酸铝总质量的0.01～10％，聚乙二醇为九水硝酸铝总质量的0.01～10％，酚醛树脂与九水硝酸铝的摩尔比为0.5～10，氮源与九水硝酸铝的摩尔比为5～60，沉淀剂的用量按碳酸氢铵或NH3·H2O与九水硝酸铝的摩尔比为2～8；其中碳酸氢铵溶液的浓度为0.1～2M，氨水的浓度为0.1～5M；2、将九水硝酸铝溶于去离子水中，然后加入偶联剂和聚乙二醇，搅拌均匀制成混合溶液；3、向混合溶液中加入沉淀剂，然后搅拌至形成凝胶；将凝胶醇洗后过滤，去除水分和游离态的偶联剂，获得前驱体凝胶；4、将前驱体凝胶放入无水乙醇中，在搅拌条件下加入酚醛树脂，使酚醛树脂在无水乙醇中溶解，前驱体凝胶被分散，直至全部物料形成糊状体；将糊状体置于烘箱中，烘干去除挥发成分，再置于电阻炉中煅烧去除结构水，随炉冷却至常温，取出后研磨获得前驱体粉体；5、将前驱体粉体与氮源研磨混合均匀，制成复合前驱体粉体；将复合前驱体粉体置于加热炉内，用氮气吹扫加热炉内部，将空气排出；然后在加热炉内气压高于大气压的条件下，将加热炉升温至950～1500℃，保温1～5小时，进行氮化合成反应；反应结束后随炉冷却至常温，研磨制成氮化铝粗粉体；6、将氮化铝粗粉体置于电阻炉内，加热至550～650℃保温2～5小时进行除碳，然后随炉冷却至常温，研磨制成氮化铝陶瓷粉体。上述的步骤2中，去离子水的用量以完全溶解九水硝酸铝、偶联剂和聚乙二醇为准。上述的步骤4中，无水乙醇的用量以完全溶解酚醛树脂为准。上述的步骤4中，烘干温度60～150℃，时间1～48小时。上述的步骤4中，煅烧温度200～500℃，时间1～6小时。上述的氮化铝陶瓷粉体的粒径200～1000纳米。上述的聚乙二醇的聚合度为2000～20000。上述的步骤5中，加热炉升温和保温过程中，控制加热炉内气压高于大气压。本专利技术的方法以活性较高的尿素/三聚氰胺替代流动惰性氮气为氮源，结合表面改性分散技术，即使用表面活性剂偶联剂和聚乙二醇进行表面接枝改性和分散，增加铝源与碳源的相容性，使铝源和碳源之间达到原子或分子级别的均匀混合，并与尿素或三聚氰胺分解产生的高活性氨气原位发生碳热还原反应，降低碳热还原反应的温度，最终获得氮化铝陶瓷粉体；其中使用较多尿素/三聚氰胺和酚醛树脂是为了使铝源充分反应不残留。附图说明图1为本专利技术实施例1中的氮化铝陶瓷粉体的X射线衍射图；图2为本专利技术实施例1中的氮化铝陶瓷粉体的SEM照片图。具体实施方式本专利技术实施例中采用的九水硝酸铝(Al(NO3)3·9H2O)为市购产品。本专利技术实施例中采用的尿素、聚乙二醇和氨水为市购产品。本专利技术实施例中采用的酚醛树脂选用FQ-9。本专利技术实施例中的偶联剂选用KH-550、KH-560或KH-570。本专利技术实施例中采用的碳酸氢铵为市购产品。本专利技术实施例中采用的X射线衍射仪为PW3040/60。本专利技术实施例中采用的扫描电镜显微镜为SSX-550。本专利技术实施例中烘干是将糊状体倒入托盘中平铺，以增加散热面积，再放到烘箱中烘干。本专利技术实施例中醇洗是将凝胶置于乙醇中搅拌至少5min。本专利技术实施例中加热炉升温和保温时，因尿素或三聚氰胺分解产生氨气会导致加热炉内气压升高，当加热炉内的气压高过或等于0.4MPa时，通过开启加热炉上的放气阀门将加热炉内气压降低,。本专利技术实施例中，开启放气阀门时，放气阀门通过排气管道将气体通入盛水的密闭容器中，使放出的氨气溶于水中回收。实施例1准备铝源九水硝酸铝，沉淀剂碳酸氢铵溶液，浓度为0.1M；表面活性剂偶联剂和聚乙二醇，碳源酚醛树脂，氮源尿素；其中偶联剂为九水硝酸铝总质量的0.01％，聚乙二醇为九水硝酸铝总质量的0.011％，酚醛树脂与九水硝酸铝的摩尔比为1.2，尿素与九水硝酸铝的摩尔比为3，沉淀剂的用量按碳酸氢铵与九水硝酸铝的摩尔比为8；聚乙二醇的聚合度为6000；将九水硝酸铝溶于去离子水中，然后加入偶联剂和聚乙二醇，搅拌均匀制成混合溶液；去离子水的用量以完全溶解九水硝酸铝、偶联剂和聚乙二醇为准；向混合溶液中加入沉淀剂，然后搅拌至形成凝胶；将凝胶醇洗后过滤，去除水分和游离态的偶联剂，获得前驱体凝胶；将前驱体凝胶放入无水乙醇中，在搅拌条件下加入酚醛树脂，使酚醛树脂在无水乙醇中溶解，前驱体凝胶被分散，直至全部物料形成糊状体；将糊状体置于烘箱中，烘干去除挥发成分，再置于电阻炉中煅烧去除结构水，随炉冷却至常温，取出后研磨获得前驱体粉体；无水乙醇的用量以完全溶解酚醛树脂为准；其中烘干温度90℃，时间8小时；煅烧温度200℃，时间6小时；将前驱体粉体与尿素研磨混合均匀，制成复合前驱体粉体；将复合前驱体粉体置于加热炉内，用氮气吹扫加热炉内部，将空气排出；然后在加热炉内气压高于大气压的条件下，将加热炉升温至950℃，保温3小时，进行氮化合成反应；反应结束后随炉冷却至常温，获得氮化铝粗粉体；加热炉升温和保温过程中，控制加热炉内气压高于大气压；将氮化铝粗粉体置于电阻炉内，加热至550℃保温5小时进行除碳，然后随炉冷却至常温，制成氮化铝陶瓷粉体，粒径250～400纳米，X射线衍射如图1所示，由图可见，产品没有明显的杂质，扫描电镜SEM照片如图2所示。实施例2方法同实施例1，不同点在于：(1)沉淀剂为氨水，浓度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于尿素/三聚氰胺氮源制备氮化铝陶瓷粉体的方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)准备铝源九水硝酸铝，沉淀剂碳酸氢铵溶液或氨水，表面活性剂偶联剂和聚乙二醇，碳源酚醛树脂，氮源尿素或三聚氰胺；其中偶联剂为九水硝酸铝总质量的0.01～10％，聚乙二醇为九水硝酸铝总质量的0.01～10％，酚醛树脂与九水硝酸铝的摩尔比为0.5～10，氮源与九水硝酸铝的摩尔比为5～60，沉淀剂的用量按碳酸氢铵或NH3·H2O与九水硝酸铝的摩尔比为2～8；其中碳酸氢铵溶液的浓度为0.1～2M，氨水的浓度为0.1～5M；(2)将九水硝酸铝溶于去离子水中，然后加入偶联剂和聚乙二醇，搅拌均匀制成混合溶液；(3)向混合溶液中加入沉淀剂，然后搅拌至形成凝胶；将凝胶醇洗后过滤，去除水分和游离态的偶联剂，获得前驱体凝胶；(4)将前驱体凝胶放入无水乙醇中，在搅拌条件下加入酚醛树脂，使酚醛树脂在无水乙醇中溶解，前驱体凝胶被分散，直至全部物料形成糊状体；将糊状体置于烘箱中，烘干去除挥发成分，再置于电阻炉中煅烧去除结构水，随炉冷却至常温，取出后研磨获得前驱体粉体；(5)将前驱体粉体与氮源研磨混合均匀，制成复合前驱体粉体；将复合前驱体粉体置于加热炉内，用氮气吹扫加热炉内部，将空气排出；然后在加热炉内气压高于大气压的条件下，将加热炉升温至950～1500℃，保温1～5小时，进行氮化合成反应；反应结束后随炉冷却至常温，研磨制成氮化铝粗粉体；(6)将氮化铝粗粉体置于电阻炉内，加热至550～650℃保温2～5小时进行除碳，然后随炉冷却至常温，研磨制成氮化铝陶瓷粉体。...

【技术特征摘要】
1.一种基于尿素/三聚氰胺氮源制备氮化铝陶瓷粉体的方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)准备铝源九水硝酸铝，沉淀剂碳酸氢铵溶液或氨水，表面活性剂偶联剂和聚乙二醇，碳源酚醛树脂，氮源尿素或三聚氰胺；其中偶联剂为九水硝酸铝总质量的0.01～10％，聚乙二醇为九水硝酸铝总质量的0.01～10％，酚醛树脂与九水硝酸铝的摩尔比为0.5～10，氮源与九水硝酸铝的摩尔比为5～60，沉淀剂的用量按碳酸氢铵或NH3·H2O与九水硝酸铝的摩尔比为2～8；其中碳酸氢铵溶液的浓度为0.1～2M，氨水的浓度为0.1～5M；(2)将九水硝酸铝溶于去离子水中，然后加入偶联剂和聚乙二醇，搅拌均匀制成混合溶液；(3)向混合溶液中加入沉淀剂，然后搅拌至形成凝胶；将凝胶醇洗后过滤，去除水分和游离态的偶联剂，获得前驱体凝胶；(4)将前驱体凝胶放入无水乙醇中，在搅拌条件下加入酚醛树脂，使酚醛树脂在无水乙醇中溶解，前驱体凝胶被分散，直至全部物料形成糊状体；将糊状体置于烘箱中，烘干去除挥发成分，再置于电阻炉中煅烧去除结构水，随炉冷却至常温，取出后研磨获得前驱体粉体；(5)将前驱体粉体与氮源研磨混合均匀，制成复合前驱体粉体；将复合前驱体粉体置于加热炉内，用氮气吹扫加热炉内部，将空气排出；然后在加热炉内气压高于大气压的条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宁，马洋洋，
申请(专利权)人：沈阳大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21