有机网络法合成AlN陶瓷粉体方法技术

本发明专利技术是一种有机网络法合成AlN陶瓷粉体的方法，该方法采用碳热还原法制备氮化铝，包括铝/碳前驱体溶胶的制备、铝/碳干凝胶的制备、铝/碳干凝胶的热处理、球磨细化、氮化反应和除碳步骤，具体是：采用有机物聚乙烯醇为碳源，六水氯化铝为铝源，制备出均匀、稳定的铝/碳水性溶胶；对铝/碳水性溶胶进行氨水浸泡，洗涤，并对洗涤后产物进行微波干燥后，得到铝/碳干凝胶；对铝/碳干凝胶经过热处理、球磨细化等处理后，置于N2气氛炉中高温氮化并除碳，最终制备出分散性良好、粒径可控、杂质含量低的氮化铝粉体。本发明专利技术具有操作方便，生产效率高，无污染，以及节能等优点。

Method for synthesizing AlN ceramic powder by organic network method

The present invention is a method for organic network synthesis of AlN ceramic powder, the method of preparation of aluminium nitride by carbothermal reduction method, including aluminum / carbon precursor sol preparation, aluminum / carbon xerogel preparation, aluminum / carbon xerogel heat treatment, ball milling, reaction and carbon removal the specific steps are: using polyvinyl alcohol as organic carbon source, six water and aluminum chloride as aluminum source, preparation of uniform and stable aluminum / carbon water sol; washing of aluminum / carbon water sol with ammonia soaking, and the product after washing, microwave drying, aluminum / carbon xerogel the aluminum / carbon xerogel; after heat treatment, ball milling process, high temperature Nitriding under N2 atmosphere furnace and carbon removal, the final preparation aluminum nitride prepared with good dispersion, controllable particle size, low impurity content. The invention has the advantages of convenient operation, high production efficiency, no pollution, energy saving, etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及陶瓷粉体材料领域，具体涉及一种AlN陶瓷粉体的有机网络制备方法。
技术介绍
氮化铝(AlN)具有优异的导热性能(理论热导率为320W/(m·K))，实际值可达260W/(m·K)为氧化铝陶瓷的10～15倍)，具有低的相对介电常数、可靠的电绝缘性、耐高温、耐腐蚀、无毒、良好的力学性能以及与硅相匹配的热膨胀系数等一系列优良性能，与硅和砷化镓等芯片材料相匹配的热膨胀系数、无毒、绝缘等一系列优异性能，被认为是新一代高性能陶瓷基片﹑电子封装等散热器件的首选材料，在许多高
的应用越来越广泛，尤其是在集成电路基片和电子封装材料以及微波吸收材料等方面的应用前景广阔。目前有关AlN陶瓷粉体制备方法的研究如下：秦明礼等在高温氮气中，以铝粉直接与氮气发生化合反应生成AlN粉末，反应温度一般在800～1200℃的范围内，铝粉直接氮化法的优点是原料丰富，工艺简单，适宜大规模生产。目前己应用于工业生产。但是该方法存在明显不足，首先，金属铝在660℃时开始熔化，但是在大约700℃才开始与氮气进行反应，因此铝粉在合成温度时己经熔化，这造成氮气扩散困难，难以和铝粉充分进行反应。随着反应的进一步进行，铝粉颗粒表面氮化后形成的AlN层也会阻碍氮气向颗粒中心的扩散。以上两点原因造成铝粉转化率低，产品质量差。另外，由于铝粉的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自烧结，形成团聚。为了提高转化率和防止粉末团聚，反应产物往往需要多次粉碎处理和氮化，这样延长了工艺周期，提高了生产成本，而且球磨粉碎过程中易带入杂质，影响AlN粉末的纯度。因此，铝粉直接氮化法难以制备出高纯度、细粒度的粉末。正因为传统的直接氮化法制备的AlN粉末颗粒不均匀、粒径较粗、纯度不高，无法满足制备高性能AlN陶瓷对原料粉末的要求，近年来已较少见到相应的工艺方面的报道，研究方向主要转移到如何提高铝粉的氮化速率和转化率以及消除AlN粉末的团聚等方面。(秦明礼.AlN粉末的制备、低温烧结及其注射成形技术研究[D].中南大学粉末冶金研究所.2002,10:67～69.)王琦等以蔗糖和氧化铝为原料，通过碳热还原法直接制备了球形度高、粒径分布范围窄的氮化铝粉体，并系统研究了添加剂种类、反应温度、氮气压力等因素对最终氮化率和粉体形貌的影响。研究结果表明高的氮气压力、高的反应温度、CaF2-Y203复合添加剂的使用有利于大粒径、球形度高的氮化铝粉体的形成。(王琦，葛一瑶，谢志鹏.以蔴糖为原料制备球形氮化铝粉体的研究[R].清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京.100084P.R)以铝粉和氟化铵为原料，按质量比4∶1进行混合，加入1wt％Y2O3添加剂，在小于2.5Mpa的氮气气氛条件下进行了AlN粉体的自蔓延燃烧合成，讨论了添加剂、燃烧温度等因素对合成粉体性能的影响。(崔珊,王芬.S小时S法制备高性能Y2O3掺杂AlN陶瓷粉体[J].中国陶瓷.2008,44(2):32～37)用高能球磨的方法对反应物料进行预处理，利用球磨机械力的活化效应获得高活性的粉料，可以降低后续反应所需的温度，这使得碳热还原反应法制备氮化铝具有更大的优势，但高能球磨的促进机制主要是球磨导致氧化铝粉体的不断细化，并形成大量的晶格畸变，降低了后续的反应能垒。但是普通高能球磨只有单一的机械能输入，因此普通球磨活化粉体所需时间较长，活化程度有限。(张宝剑,等.高能球磨制备氮化铝粉体的研究进展[J].材料导报.2014,28(23):403～404.)采用溶剂热合成方法，以二甲苯为溶剂，无水氯化铝和叠氮化钠为原料，在200℃下，合成了AlN前驱物，所得前驱物经氮气保护气氛下的热处理工艺，制备得到了具有六方结构的氮化铝纳米粉体。(王杰.溶剂热合成纳米AlN陶瓷粉体及其表征[D].河南理工大学.2011,6:29～31)上述几种方法中，铝粉直接氮化法存在铝粉转化率低，产品质量差、反应过程不易控制，放出的大量热量易使铝自烧结，形成团聚等问题，自蔓延燃烧合成法合成的氮化铝粉体形貌不规则，颗粒较大，而且纯度低。高能球磨的方法在制备的过程中易形成大量的晶格畸变，降低了后续的反应能垒，但活化粉体所需时间较长，产量有限。溶剂热合成法容易受到空气的水和氧的影响，且有机溶剂的使用对环境带来较大的影响，不宜于规模化工业生产。而上述的碳热还原法存在生产成本高，纯度不够高等缺点。
技术实现思路
：本专利技术所要解决的技术问题是：鉴于现有技术所存在的缺限和不足，提供一种原料来源广泛，制备成本低廉，工艺流程简单无污染，获得分散性良好、粒径可控、杂质含量低AlN粉体的方法，且适宜工业化大规模生产。本专利技术解决其技术问题采用以下的技术方案：本专利技术提供的有机网络法合成AlN陶瓷粉体方法，该方法包括以下的步骤：(1)铝/碳前驱体溶胶的制备：称取六水氯化铝晶体(AlCl3·6H2O)，配成1mol/L水溶液；将聚乙烯醇(PVA)加入AlCl3溶液中，加热至80～90℃，搅拌2～3小时，使聚乙烯醇完全溶解，形成均匀铝/碳有机前驱体溶液；(2)铝/碳干凝胶的制备：向铝/碳有机前驱体溶液中滴加体积比1％～2％的戊二醛搅拌均匀，并在25～60℃水浴加热20～30分钟，形成铝/碳有机凝胶；再将凝胶置于体积浓度10％的氨水中浸泡2～4小时，进行中和反应；用蒸馏水洗涤中和反应后的铝/碳有机凝胶至中性，置于微波炉中加热进行脱水处理10分钟，制得多孔状铝/碳干凝胶；(3)铝/碳干凝胶的热处理：将制得的多孔状铝/碳干凝胶放入烘箱中，温度设置为200～250℃，加热处理2～4小时，得到黑色的铝/碳复合粉体；(4)球磨细化：将热处理后的铝碳复合粉体进行球磨，得到细化后的铝/碳复合粉体；(5)氮化反应：将细化后的铝/碳复合粉体置于石墨坩埚，放入气氛炉中，缓慢通入高纯N2，氮化温度为1400～1500℃，并保温3～5小时后，在N2气氛中缓慢冷却，得到粒度均匀的含碳AlN粉体；(6)除碳：将冷却后的含碳AlN粉体置于马弗炉中，700℃下保温2小时除去残留碳，得到粒度细小、分散均匀的AlN粉体。上述步骤(1)中，所述有机物聚乙烯醇为碳源，六水氯化铝晶体为铝源，二者质量配比为(10～12)：5。上述步骤(1)中，采用重均分子量为1500的聚乙烯醇。上述步骤(2)中，采用质量百分数为25％的戊二醛。上述步骤(5)中，按升温速率5℃/min升温至氮化温度1400～1500℃。本专利技术制备的AlN陶瓷粉体粒度为0.63～3.67μm，纯度为99.8％。本专利技术的基本机理为：六水氯化铝(AlCl3·6H2O)溶于水形成酸性的氯化铝水溶液，同时聚乙烯醇加热在水中溶解溶胀而形成有机网络，Al3+被均匀地分散在有机网络微区内，形成铝/碳有机前驱体溶液；在酸性的铝/碳有机前驱体溶液中滴加适量交联剂戊二醛，戊二醛与聚乙烯醇产生交联反应，提高聚乙烯醇有机网络结构与稳定性，从而形成结构均匀稳定的铝/碳有机凝胶；将该凝胶浸泡在氨水中，氨水中的OH-扩散渗透进入有机网络微区中与氯化铝形成高度分散不溶性的氢氧化铝，通过用蒸馏水清洗与微波干燥加热处理，有机凝胶快速脱水，避免了氢氧化铝之间的团聚，得到铝/碳多孔干凝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机网络法合成AlN陶瓷粉体方法，其特征在于采用包括以下的步骤方法：(1)铝/碳前驱体溶胶的制备：称取六水氯化铝晶体，配成1mol/L水溶液；将聚乙烯醇(PVA)加入AlCl3溶液中，加热至80～90℃，搅拌2～3小时，使聚乙烯醇完全溶解，形成均匀铝/碳有机前驱体溶液；(2)铝/碳干凝胶的制备：向铝/碳有机前驱体溶液中滴加体积比1％～2％的戊二醛搅拌均匀，并在25～60℃水浴加热20～30分钟，形成铝/碳有机凝胶；再将凝胶置于体积浓度10％的氨水中浸泡2～4小时，进行中和反应；用蒸馏水洗涤中和反应后的铝/碳有机凝胶至中性，置于微波炉中加热进行脱水处理10分钟，制得多孔状铝/碳干凝胶；(3)铝/碳干凝胶的热处理：将制得的多孔状铝/碳干凝胶放入烘箱中，温度设置为200～250℃，加热处理2～4小时，得到黑色的铝/碳复合粉体；(4)球磨细化：将热处理后的铝碳复合粉体进行球磨，得到细化后的铝/碳复合粉体；(5)氮化反应：将细化后的铝/碳复合粉体置于石墨坩埚，放入气氛炉中，缓慢通入高纯N2，氮化温度为1400～1500℃，并保温3～5小时后，在N2气氛中缓慢冷却，得到粒度均匀的含碳AlN粉体；(6)除碳：将冷却后的含碳AlN粉体置于马弗炉中，700℃下保温2小时除去残留碳，得到粒度细小、分散均匀的AlN粉体。...

【技术特征摘要】
1.一种有机网络法合成AlN陶瓷粉体方法，其特征在于采用包括以下的步骤方法：(1)铝/碳前驱体溶胶的制备：称取六水氯化铝晶体，配成1mol/L水溶液；将聚乙烯醇(PVA)加入AlCl3溶液中，加热至80～90℃，搅拌2～3小时，使聚乙烯醇完全溶解，形成均匀铝/碳有机前驱体溶液；(2)铝/碳干凝胶的制备：向铝/碳有机前驱体溶液中滴加体积比1％～2％的戊二醛搅拌均匀，并在25～60℃水浴加热20～30分钟，形成铝/碳有机凝胶；再将凝胶置于体积浓度10％的氨水中浸泡2～4小时，进行中和反应；用蒸馏水洗涤中和反应后的铝/碳有机凝胶至中性，置于微波炉中加热进行脱水处理10分钟，制得多孔状铝/碳干凝胶；(3)铝/碳干凝胶的热处理：将制得的多孔状铝/碳干凝胶放入烘箱中，温度设置为200～250℃，加热处理2～4小时，得到黑色的铝/碳复合粉体；(4)球磨细化：将热处理后的铝碳复合粉体进行球磨，得到细化后的铝/碳复合粉体；(5)氮化反应：将细化后的铝/碳复合粉体置于石墨坩埚，放入气氛炉中，缓慢...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，吴宇，杨小剑，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42