專利名稱：用自蔓延合成超細(xì)氮化鋁及氮化鋁基復(fù)相陶瓷粉末的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一類通過自蔓延高溫合成(self-propagating high-temperaturesynthesis，SHS)方法制備的超細(xì)AlN陶瓷粉體和AlN基復(fù)相陶瓷粉末。
背景技術(shù)：
自1967年前蘇聯(lián)學(xué)者A.G.Merzhanov和I.P.Borovinskaya發(fā)現(xiàn)SHS現(xiàn)象以來，SHS一直是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。其基本的特點(diǎn)是利用外部提供必要的能量，誘發(fā)高放熱化學(xué)反應(yīng)體系局部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(這個(gè)過程稱為點(diǎn)燃)，形成化學(xué)反應(yīng)前沿(即燃燒波)，此后化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下，繼續(xù)前行，表現(xiàn)為燃燒波蔓延整個(gè)反應(yīng)體系，最后合成材料。SHS合成工藝最突出的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約能源、工藝簡(jiǎn)單、合成物純度高等。所以迄今采用SHS工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到500種以上。但是這些產(chǎn)品主要靠固-固反應(yīng)，而氣-固體系的燃燒合成，反應(yīng)在高壓條件下由氣相和固相反應(yīng)進(jìn)行，孔隙內(nèi)的氣體不足會(huì)影響反應(yīng)進(jìn)行完全，而且固相的融化會(huì)阻礙氣體的滲入。其反應(yīng)機(jī)制更為復(fù)雜，工藝難于控制。
氮化鋁具有密度低、導(dǎo)熱率高、介電常數(shù)低、電阻率高，與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)、抗熱震性優(yōu)良等性能，不僅被作為超大規(guī)模集成電路首選的基板和封裝材料，并且隨著其性能的不斷提高，作為結(jié)構(gòu)陶瓷也有著良好的應(yīng)用前景。但是傳統(tǒng)的制備AlN的方法需要在高溫加熱條件下進(jìn)行，周期長(zhǎng)、耗能高、粉末成本高、嚴(yán)重限制了AlN的推廣應(yīng)用。SHS合成氮化鋁由于其耗能少，反應(yīng)迅速、產(chǎn)品純度高、成本低廉，是很有前途的低價(jià)制備技術(shù)。但是，由于一些基本的理論和技術(shù)問題還沒有得到很好解決，目前燃燒合成AlN的工藝尚未得到大規(guī)模的應(yīng)用。現(xiàn)我國(guó)、俄、美、日、韓等國(guó)正下大力研究解決AlN的SHS合成問題。
涉及燃燒合成超細(xì)AlN陶瓷粉體和AlN基復(fù)相陶瓷粉末的國(guó)際專利有YamadaOsamu申請(qǐng)的日本專利“通過燃燒合成制備BN、AlN和Si3N4”(JP2000264608)。但是此專利合成試樣重量很小，用激光點(diǎn)燃，成本很高。臺(tái)灣Yu Wen-Liang等申請(qǐng)的美國(guó)專利“氮化鋁的制備方法”(US5846508)。此專利采用鹵化銨作為氮源，合成試樣重量很小，不能實(shí)現(xiàn)大尺寸乃至規(guī)模化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過控制反應(yīng)溫度和壓力，并加入適當(dāng)稀釋劑，用SHS工藝合成完全的大尺寸AlN坯(φ120mm)，制備了超細(xì)AlN陶瓷粉體和AlN基復(fù)相陶瓷粉末。
對(duì)于AlN(氮化鋁)粉體的制備原始反應(yīng)物的成分配比為50-90wt％的Al粉和10-50wt％的AlN粉，wt％為重量百分比；素坯的密度為35-60％，氮?dú)鈮毫?-30MPa。
對(duì)于AlN/ZrN/Al3Zr復(fù)相陶瓷粉體，原始反應(yīng)物粉末的成分配比為0-40wt％的AlN粉末，0-30wt％的ZrN粉末，10-85wt％的Al粉和30-70wt％的Zr粉，素坯的密度為35-50％，SHS反應(yīng)的氮?dú)鈮毫?--30MPa。
對(duì)于AlN/ZrN復(fù)相陶瓷粉體，原始反應(yīng)物粉末的成分配比為70-80wt％的Zr粉和20-30wt％的AlN粉末，素坯的密度為35-50％，SHS反應(yīng)的氮?dú)鈮毫?--30MPa。
對(duì)于AlN-SiC固溶體的反應(yīng)物的原始配比為Si和C為0-85atm％，Al為15-100atm％，atm％為原子百分比，氮?dú)獾膲毫?--30MPa。
本法明的原理及優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)述如下
近期的研究表明，AlN由于其優(yōu)越的機(jī)械性能，可以作為金屬陶瓷和復(fù)相陶瓷的重要組成成分，在結(jié)構(gòu)陶瓷材料有望得到廣泛的應(yīng)用。其工藝流程如下(1)粉末按指定配比配制，(2)球磨6小時(shí)，(3)粉末烘干，過100目篩和(4)將粉末裝入燃燒室點(diǎn)燃。
由于金屬鋁的熔點(diǎn)較低，在燃燒過程中會(huì)發(fā)生熔融團(tuán)聚，阻礙氮?dú)獾臐B透，所以提高氮?dú)鈮毫?，向Al粉中加入AlN稀釋劑，降低素坯密度，以改善氮?dú)獾臐B透性，是提高Al粉氮化程度的關(guān)鍵。同時(shí)試樣尺寸對(duì)SHS AlN的燃燒過程有著重要影響，大尺寸試樣在燃燒過程中出現(xiàn)明顯的二次氮化峰，并且大尺寸試樣本身不同部位的燃燒行為在不同素坯密度和氮?dú)鈮毫l件下表現(xiàn)出不同的特征。作為結(jié)構(gòu)陶瓷，氮化鋁具有機(jī)械強(qiáng)度不高的缺點(diǎn)。因此利用AlN陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，避開其缺點(diǎn)，在氮化鋁的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出多相復(fù)合材料，以取得性能的多重疊加優(yōu)勢(shì)。在Al-Zr-N系統(tǒng)中，AlN/ZrN復(fù)相陶瓷，綜合了AlN和ZrN的優(yōu)越的機(jī)械性能；同時(shí)在氮?dú)鈮毫^低條件下有Al3Zr相出現(xiàn)，而且Al3Zr相多分布在AlN和ZrN的晶界處，扮演了粘結(jié)相的角色，在SHS合成過程中實(shí)現(xiàn)了在氣-固體系中很難實(shí)現(xiàn)的同步致密化。
作為一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，碳化硅具有高度的共價(jià)鍵結(jié)合特性，目前以碳化硅為基的陶瓷材料以其高硬度、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性而成為熱機(jī)、高溫環(huán)境和化學(xué)化工等領(lǐng)域的研究應(yīng)用對(duì)象。α-SiC(2H)和AlN有相似的結(jié)構(gòu)，而且在化合價(jià)和晶胞參數(shù)上有很大的相似性。兩者相似的結(jié)構(gòu)和高溫性能意味著兩者的復(fù)合材料對(duì)材料性能的改進(jìn)有很大的幫助。SHS工藝開拓了低價(jià)制備高純AlN-SiC固溶體的應(yīng)用前景。


附圖1為本發(fā)明SHS反應(yīng)燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖，圖中點(diǎn)火絲1，反應(yīng)物坯體2，測(cè)溫的熱電偶3，樣品臺(tái)4。
具體實(shí)施例方式例1SHS合成超細(xì)氮化鋁粉體實(shí)驗(yàn)所用鋁粉純度大于99％，粒度為250-300目；AlN純度為99.4％，粒度小于300目。反應(yīng)物含量Al為80wt％，AlN為20wt％。為防止AlN水解，以丙酮為介質(zhì)，在瑪瑙罐中球磨6小時(shí)，在空氣中烘干后，松裝于燃燒室中，或用限位模壓成一定的粉坯，粉坯和松裝反應(yīng)物的直徑均為120mm。在7MPa的氮?dú)鈮毫ο曼c(diǎn)燃，所制得的氮化鋁氮化完全，其比表面為2-6m2/g，等效粒徑為0.3-0.9μm。
例2SHS合成AlN/ZrN/Al3Zr復(fù)相陶瓷粉體原始反應(yīng)物中Al和AlN粉末性能同例1。Zr粉純度大于98％，粒度小于200目。
粉末的成分配比為31wt％的AlN粉末，15.8wt％的Al粉和53.2wt％的Zr粉，素坯的密度為45％，SHS反應(yīng)的氮?dú)鈮毫?MPa，所得產(chǎn)物為AlN/ZrN/Al3Zr復(fù)相陶瓷粉體，粒徑在2-5μm之間。
例3SHS合成AlN/ZrN復(fù)相陶瓷粉體原始反應(yīng)物中Al和AlN粉末性能同例1。ZrN粉純度大于98％，粒度小于300目。
粉末的成分配比為80wt％的Al粉和20wt％的ZrN粉，素坯的密度為45％，SHS反應(yīng)的氮?dú)鈮毫?MPa，所得產(chǎn)物為AlN/ZrN復(fù)相陶瓷粉體，粒徑在2-5μm之間。
例4SHS合成AlN-SiC固溶體原始反應(yīng)物中Al和AlN粉末性能同例1。Si粉和C粉純度大于98％，粒度小于200目。
AlN-SiC固溶體的反應(yīng)物的原始配比為Si和C均為50atm％，Al為50atm％，氮?dú)獾膲毫?MPa。所制得的AlN-SiC固溶體熱壓燒結(jié)后，性能為抗彎強(qiáng)度510MPa，HRA＝93，K1C＝6.21MPa·m1/2。
權(quán)利要求
1.一種自蔓延高溫合成AlN粉體和AlN基復(fù)相陶瓷粉體的方法，其特征在于AlN粉體的合成，原始反應(yīng)物的成分配比為50-90wt％的Al粉和10-50wt％的AlN粉；素坯的密度為35-60％，wt％為重量百分比，氮?dú)鈮毫?--30MPa。
2.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對(duì)于AlN/ZrN/Al3Zr復(fù)相陶瓷粉體，原始反應(yīng)物粉末的成分配比為0-40wt％的AlN粉末，0-30wt％的ZrN粉末，10-85wt％的Al粉和30-70wt％的Zr粉，素坯的密度為35-50％，SHS反應(yīng)的氮?dú)鈮毫?--30MPa。
3.一種如權(quán)利1的制備方法，其特征在于對(duì)于AlN/ZrN復(fù)相陶瓷粉體，原始反應(yīng)物粉末的成分配比為70-80wt％的Zr粉和20-30wt％的AlN粉末，素坯的密度為35-50％，SHS反應(yīng)的氮?dú)鈮毫?--30MPa。
4.一種如權(quán)利1的制備方法，其特征在于對(duì)于AlN-SiC固溶體的反應(yīng)物的原始配比為Si和C均為0-85atm％，Al為15-100atm％，atm％為原子百分比，氮?dú)獾膲毫?--30MPa。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種自蔓延高溫合成超細(xì)AlN陶瓷粉體和AlN基復(fù)相陶瓷粉末。對(duì)于AlN粉體的制備原始反應(yīng)物的成分配比為50－90wt％的Al粉和10－50wt％的AlN粉；素坯的密度為35－60％，氮?dú)鈮毫?－30MPa。對(duì)于AlN/ZrN/Al
文檔編號(hào)C04B35/581GK1433999SQ0210019
公開日2003年8月6日 申請(qǐng)日期2002年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月22日
發(fā)明者葛昌純, 陳克新, 李江濤 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)