專利名稱：一種六方相納米氮化鋁粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種六方相納米氮化鋁粉體的制備方法，更確切地說從普通金屬鋁粉制備納米氮化鋁粉體的方法，屬于納米材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氮化鋁具有很高的熱導(dǎo)系數(shù)(六方相為170-260W m-1K-1)，而且硬度大，具有優(yōu)良的絕緣性能，低膨脹系數(shù)，對(duì)熔融金屬和鹽類有優(yōu)異抗浸蝕性，因此被認(rèn)為是一種具有廣泛應(yīng)用前景的無機(jī)材料，既可以做為電子絕緣基片材料和微電子封裝材料，又是大功率和高溫器件的可選材料。
氮化鋁粉體的純度，粒徑大小和分布以及比表面積與燒結(jié)性和所得的氮化鋁陶瓷制品的性質(zhì)都有極其密切的關(guān)系，因此，研究和探求顆粒尺寸小、純度高的氮化鋁粉體的制備方法具有很重要的意義。目前工業(yè)上生產(chǎn)氮化鋁的主要方法是氧化鋁粉碳熱還原法和金屬鋁粉直接氮化法。碳熱還原法得到的粉體尺寸較均勻，但反應(yīng)溫度要求極高，一般在1600～1800℃，且需二次氧化除去多余的碳，生產(chǎn)成本高。相比之下，直接氮化法簡單廉價(jià)，但其缺點(diǎn)是高溫(常達(dá)到1500℃)和氮化反應(yīng)放出的熱量使鋁粉熔化，難以得到超細(xì)氮化鋁粉體。另外鋁粉表面形成的氮化鋁保護(hù)層會(huì)阻礙反應(yīng)的進(jìn)行，因此需要研磨等中間步驟，以使鋁粉氮化完全，這導(dǎo)致雜質(zhì)的濃度大大提高。
近年來，國內(nèi)外學(xué)者研制出一些新方法對(duì)直接氮化法加以改進(jìn)，例如懸浮氮化法(A.J.Chang et al.，J. Am.Ceram.Soc.，1995，78[1]，33-40)，鋁蒸氣與氨氣的氣相反應(yīng)法，(S.E.Pratsinis et al.，J. Mater.Res.，1995，10[3]512-20)，和加入金屬鋰添加劑(K.Komeya et al.，J. Ceram.Soc.Jap.，1993，101[12]1319-23)等。但有些方法不適用于工業(yè)生產(chǎn)，有些在技術(shù)上還存在障礙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的直接氮化法制備氮化鋁的缺點(diǎn)，而提供一種從普通金屬鋁粉制備納米晶氮化鋁粉體的方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)施的以普通金屬鋁粉(100～200目)為起始原料，加入氯化銨和氯化鉀作為添加劑，質(zhì)量比為鋁粉∶氯化銨∶氯化鉀＝1∶0.5∶0.5～1∶1.5∶1.5，以丙酮為介質(zhì)，球磨混合32～48小時(shí)，然后在80～100℃烘干，得到鋁粉和添加劑均勻混合的粉末。將此粉末放入氧化鋁舟中，裝入管式氣氛爐，通入氨氣驅(qū)除管內(nèi)空氣。通氨氣一小時(shí)后，升溫至1000～1200℃，保持氨氣流量為0.5～5升/分鐘，升溫速率為如下室溫～600℃10℃/分鐘，600℃～800℃7℃/分鐘，800℃以后5℃/分鐘。在此溫度下，保溫5小時(shí)以上。然后，在流動(dòng)氨氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)下，自然冷卻至室溫，得到納米氮化鋁粉體。可通過反應(yīng)溫度控制納米氮化鋁的粒徑和氮化速度；通過控制氮化保溫時(shí)間控制納米氮化鋁的純度；通過控制氨氣流速來縮短反應(yīng)時(shí)間。反應(yīng)溫度越高，粉體的粒徑越大，完全氮化的時(shí)間越短；保溫時(shí)間越長，所得粉體的純度越高；氨氣的流速越大，反應(yīng)進(jìn)行得越快。所以這三個(gè)參數(shù)的選擇均對(duì)反應(yīng)后的粒徑、產(chǎn)量有至關(guān)重要的影響，合理選擇這三個(gè)參數(shù)，使之有機(jī)匹配是很重要的。
反應(yīng)過程如下
(1)(2)(3)總反應(yīng)為(4)本發(fā)明提供的納米氮化鋁的制備方法的特點(diǎn)是(1)采用100～200目普通金屬鋁粉為鋁源，加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?，在流?dòng)氨氣中高溫下直接氮化制備納米氮化鋁粉體；(2)采用氯化銨和氯化鉀作為添加劑，降低氮化溫度，并抑制粉體顆粒長大和團(tuán)聚，且添加劑在產(chǎn)品中無殘留；(3)采用氨氣為反應(yīng)氣體，得到的氮化鋁粉體純度高于95％；(4)對(duì)原料要求低，生產(chǎn)工藝簡單，可以利用現(xiàn)有的直接氮化法生產(chǎn)氮化鋁的設(shè)備，生產(chǎn)成本低。


圖1 納米氮化鋁粉體制備的工藝流程2 1000℃氮化5小時(shí)所得氮化鋁粉體的X射線衍射3 1000℃氮化5小時(shí)所得氮化鋁的透射電鏡和選區(qū)衍射照片
具體實(shí)施例方式
用下列非限定性實(shí)施例進(jìn)一步說明實(shí)施方式及效果實(shí)施例1取鋁粉(100～200目)3g，氯化銨和氯化鉀作為添加劑，其質(zhì)量比為鋁粉∶氯化銨∶氯化鉀＝1∶0.8∶0.8，粉體質(zhì)量10倍的5mm不銹鋼小球，丙酮100ml，裝于球磨罐中，球磨48小時(shí)，得到膨松的混合粉體，將其在80℃烘干。將得到的混合粉末放入氧化鋁舟中，裝入管式氣氛爐，通入氨氣，氨氣流量為3～5升/分鐘，以驅(qū)除管中空氣。一個(gè)小時(shí)后，將氨氣流量降低并保持在0.6升/分鐘，升溫至1000℃。升溫速率如下室溫～600℃10℃/分鐘，600～800℃7℃/分鐘，800～1000℃5℃/分鐘。在1000℃保溫5小時(shí)，然后，在流動(dòng)氨氣下，自然冷卻至室溫。得到納米氮化鋁。圖2為本實(shí)施例制備的納米氮化鋁的X射線衍射圖，說明生成的是六方相氮化鋁，且未發(fā)現(xiàn)Al2O3和AlON的衍射峰，氮化鋁粉體的純度在95％以上。圖3為其透射電鏡照片，表明其顆粒平均尺寸為13.5nm。選區(qū)衍射照片說明生成的氮化鋁粉體為多晶。
實(shí)施例2按實(shí)施例1的方法制備納米氮化鋁，鋁粉∶氯化銨∶氮化鉀＝1∶1.2∶1.2(質(zhì)量比)反應(yīng)溫度為1200℃，得到納米氮化鋁粉體。本實(shí)施例表明在1200℃氨氣氮化5小時(shí)條件下制備的納米氮化鋁粉體的純度在95％以上，顆粒尺寸為20～45nm，說明隨氮化溫度升高，氮化鋁顆粒長大。
實(shí)施例3按實(shí)施例1的方法制備納米氮化鋁，反應(yīng)溫度為1100℃，反應(yīng)時(shí)間分別為3小時(shí)和5小時(shí)。當(dāng)僅氮化3小時(shí)后，得到的納米氮化鋁中含有痕量的Al2O3和AlON。在氮化5小時(shí)后，Al2O3和AlON雜質(zhì)峰消失。表明氮化時(shí)間應(yīng)大于或等于5小時(shí)，才能保證所得氮化鋁的純度。1100℃反應(yīng)5個(gè)小時(shí)所得氮化鋁粉體一次團(tuán)聚顆粒的尺寸小于100nm。
權(quán)利要求
1.一種六方相納米氮化鋁粉體的制備方法，其特征在于(1)采用普通金屬鋁粉為鋁源，加入氯化銨和氯化鉀添加劑，制成均勻的混合粉體；(2)在流動(dòng)氨氣氣氛下，將混合粉體直接氮化。
2.按照權(quán)利要求1所述制備六方相納米氮化鋁粉體的方法，其特征在于普通金屬鋁粉的粒度為100～200目，純度大于99％；添加劑氯化銨和氯化鉀添加劑的純度大于99.5％。
3.按照權(quán)利要求1所述制備六方相納米氮化鋁粉體的方法，其特征在于，鋁粉與添加劑的質(zhì)量比為鋁粉∶氯化銨∶氯化鉀＝1∶0.5∶0.5～1∶1.5∶1.5，球磨混合時(shí)介質(zhì)為丙酮，粉球質(zhì)量比為1∶8～1∶10，球磨時(shí)間為32～48小時(shí)。
4.按照權(quán)利要求1或3所述制備六方相納米氮化鋁粉體的方法，其特征在于，所述的普通鋁粉與添加劑混合粉體直接氮化的工藝參數(shù)為(1)氮化溫度為1000～1200℃；(2)氮化時(shí)間為大于或等于5小時(shí)；(3)氨氣流量為0.5～5升/分鐘。
5.按照權(quán)利要求4所述制備六方相納米氮化鋁粉體的方法，其特征在于(1)氮化升溫速率為 室溫～600℃10℃/分鐘，600℃～800℃7℃/分鐘，800℃以后5℃/分鐘；(2)在流動(dòng)氨氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)下，自然冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種以普通金屬鋁粉(100～200目)為原料制備六方相納米氮化鋁粉的方法。主要是利用氯化銨和氯化鉀為添加劑，在流動(dòng)的氨氣中1000～1200℃下氮化5小時(shí)以上，得到平均粒徑為13.5nm、一次團(tuán)聚顆粒的平均粒徑為33nm的納米晶氮化鋁粉體。添加劑能降低氮化溫度和抑制顆粒長大，且無殘留。氨氣作為原料氣體，保證所得氮化鋁粉體具有較高的純度。本方法具有工藝簡單、生產(chǎn)成本低和可大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B21/072GK1513756SQ0312958
公開日2004年7月21日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
發(fā)明者高濂, 邱羽, 高 濂 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所