一種氮化鋁納米顆粒的合成方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種氮化鋁納米顆粒的合成方法，該方法首次以九水硝酸鋁和三聚氰胺為原料，通過以下兩步合成了氮化鋁納米顆粒：第一步，九水硝酸鋁和三聚氰胺的混合物溶解在95℃的水中（水浴鍋加熱），得到澄清溶液，自然降溫后抽濾得到白色中間產(chǎn)品。將中間產(chǎn)品在80℃烘干，得到前驅(qū)體；第二步，將該合成的前驅(qū)體置于氧化鋁管式爐中，在氨氣氣氛下進(jìn)行高溫反應(yīng)，最終得到氮化鋁納米顆粒產(chǎn)品。該方法簡單廉價，產(chǎn)品結(jié)晶度和純度較高。
【專利說明】一種氮化鋁納米顆粒的合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的技術(shù)方案涉及一種高比表面積、高結(jié)晶度的氮化鋁納米顆粒的簡單合成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鋁是一種新型的功能陶瓷材料，具有良好的熱傳導(dǎo)性、可靠的電絕緣性、較低的介電損耗和介電常數(shù)以及與 硅相近的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良特性。實驗表明，氮化鋁多晶材料的熱導(dǎo)率可達(dá)260W.HT1IT1,單晶材料的熱導(dǎo)率高達(dá)320W.HT1IT1,因此被廣泛應(yīng)作微電子器件的封裝改性材料。氮化鋁還被廣泛地應(yīng)用于光電工程領(lǐng)域，包括光學(xué)儲存接口、電子基質(zhì)的誘電層、具有高導(dǎo)熱的芯片載體和壓電器件等。
[0003]近年來，人們發(fā)現(xiàn)納米級的氮化鋁材料有更多優(yōu)異的特性，例如:納米氮化鋁的燒結(jié)材料具有更好的熱導(dǎo)性質(zhì)，能應(yīng)用于高耗能器件；超細(xì)氮化鋁納米粉體被廣泛用作大規(guī)豐旲集成電路的基片，被認(rèn)為是新一代陶瓷基片的理想材料；超細(xì)聞純度聞結(jié)晶的氣化招納米粉體經(jīng)過特殊工藝燒結(jié)后可得到透明氮化鋁陶瓷體，用于制備特殊光學(xué)器件。對于氮化鋁陶瓷材料來說，原材料氮化鋁粉體的純度、粒徑大小以及分布、顆粒形態(tài)等因素會對陶瓷的使用性能產(chǎn)生直接影響。因此，改進(jìn)氮化鋁納米粉體的制備工藝具有重大意義。目前，氮化鋁粉末常見的制備方法有:鋁粉直接氮化法、氧化鋁粉碳熱還原法、自蔓延高溫合成法、化學(xué)氣相沉積法、溶膠凝膠法和等離子體法等。其中，鋁粉直接氮化法和氧化鋁碳熱還原法已經(jīng)應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)中，而自蔓延高溫合成法也被應(yīng)用于小批量生產(chǎn)中。但是此類方法得到的氮化鋁粉末在純度、結(jié)晶度、粒徑、分散以及形貌等方面與目前市場上要求的高品質(zhì)粉體規(guī)格相差甚遠(yuǎn)。目前，高品質(zhì)氮化鋁粉體材料基本上采用等離子體法制備，該方法設(shè)備昂貴，技術(shù)復(fù)雜，相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)為極少數(shù)發(fā)達(dá)國家和公司所壟斷。本發(fā)明涉及的方法便捷廉價，得到的氮化鋁納米顆粒純度和結(jié)晶度較高，為高品質(zhì)的氮化鋁納米顆粒的生產(chǎn)提供了新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種在水溶液中合成氮化鋁前驅(qū)體以及高溫處理該前驅(qū)體得到氮化鋁納米顆粒的方法。該方法首次以九水硝酸鋁和三聚氰胺為原料，通過以下兩步途徑合成了氮化鋁納米顆粒。第一步，將九水硝酸鋁和三聚氰胺的混合物溶解在95°C的水中(水浴加熱)，得到澄清溶液，該澄清混合溶液自然降溫后析出纖維狀沉淀，抽濾該混合溶液得到白色前驅(qū)體后，80°C烘干，得到干燥的前驅(qū)體；第二步，將合成的前驅(qū)體置于管式爐中，在氨氣氣氛下進(jìn)行高溫反應(yīng)，最終得到氮化鋁納米顆粒產(chǎn)品。該方法簡單廉價，產(chǎn)品結(jié)晶度和純度較高。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]一種氮化鋁納米顆粒的合成方法，包括如下步驟:
[0007](I)將三聚氰胺和九水硝酸鋁放入盛有去離子水的反應(yīng)器中，然后水浴升溫至70-97°C，攪拌得到澄清透明溶液；其物料摩爾配比為九水硝酸鋁:三聚氰胺=0.5-6:1，三聚氰胺和九水硝酸鋁質(zhì)量之和為反應(yīng)物料體系總質(zhì)量的10~20% ；
[0008](2)將步驟(1)中得到的澄清透明溶液，自然降溫到室溫，然后靜置10-20小時，抽濾混合溶液，得到白色中間產(chǎn)品；
[0009](3)在60-200°C烘干步驟(2)中得到的白色中間產(chǎn)品，得到白色纖維質(zhì)前驅(qū)體產(chǎn)品;
[0010](4)將步驟(3)中得到的前驅(qū)體在氨氣流中高溫反應(yīng)，氨氣流量為30-300ml/min，反應(yīng)溫度為900-1300°C，保溫時間為Ι-lOh，反應(yīng)完成后自然冷卻至室溫，得到白色的氮化鋁納米顆粒產(chǎn)品。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
[0012]1.本發(fā)明方法所得到的產(chǎn)物為純度和結(jié)晶度較高的氮化鋁產(chǎn)品。經(jīng)XRD測試，得到的產(chǎn)物是單相的A1N，產(chǎn)品中沒有其他雜質(zhì)相。最終AlN納米顆粒產(chǎn)品分散均勻，顆粒直徑不大于20nm，并且比表面積高達(dá)110m2/g。該氮化鋁納米顆粒能用作透明陶瓷的燒結(jié)原料和導(dǎo)熱介質(zhì)材料。只有在氨氣參與的反應(yīng)條件下，前驅(qū)體才能轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嗟牡X產(chǎn)品，單獨的氮氣或者氬氣保護(hù)的高溫反應(yīng)得到的產(chǎn)物是a -Al2O3^AlN和Al5O6N的三相混合物。
[0013]2.本發(fā)明采用的原料為九水硝酸鋁和三聚氰胺，均屬于已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)的普通化工原材料，廉價易得，無毒，降低了產(chǎn)品的成本。
[0014]3.本方法合成的的氮化鋁納米顆粒具有分散均勻，純度和結(jié)晶度高的特點。該制備過程簡單廉價，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī) 模生產(chǎn)，將為氮化鋁新型功能陶瓷材料的發(fā)展提供便利。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖和具體實施對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0016]圖1為實例1中氮化鋁納米顆粒的XRD譜圖。
[0017]圖2為實例1中氮化鋁前驅(qū)體的XRD譜圖。
[0018]圖3為實例1中氮化鋁前驅(qū)體的SEM圖片。
[0019]圖4為實例1中氣化招納米顆粒廣品的SEM圖片。
[0020]圖5為實例1中氮化鋁納米顆粒的TEM圖片，圖5 (a)為低分辨TEM圖片，圖5 (b)為高分辨TEM圖片。
[0021]圖6為實例1中的氮化鋁納米顆粒產(chǎn)品的氮氣吸附-脫附全程回線。
[0022]圖7為實例23、24得到的產(chǎn)品的XRD譜圖。
【具體實施方式】
[0023]實施例1.
[0024](1)將25.2g三聚氰胺和37.5g九水硝酸鋁放入盛有500毫升去離子水的大燒杯中，然后將其放入水浴鍋中，水浴溫度為97°C，不斷攪拌，得到澄清透明溶液；
[0025](2)將步驟(1)中經(jīng)過反應(yīng)得到的澄清透明溶液，自然降溫到室溫，然后靜置20小時，抽濾溶液，得到白色中間產(chǎn)品；
[0026](3)在60°C烘干步驟(2)中得到的產(chǎn)品，得到白色纖維狀前驅(qū)體；
[0027](4)將步驟(3)中得到的前驅(qū)體在氨氣流(氨氣流量為300ml/min)、1300°C反應(yīng)2h，反應(yīng)完畢后自然冷卻至室溫，得到白色氮化鋁納米顆粒產(chǎn)品。
[0028]說明:
[0029]如圖1所示為制備的氮化鋁產(chǎn)物的XRD圖譜(2θ=20-80° )。圖中各衍射峰均非常清晰、尖銳，并且所有衍射峰與氮化鋁標(biāo)準(zhǔn)卡片的衍射峰一一對應(yīng)，沒有其它雜相的衍射峰出現(xiàn)。這說明產(chǎn)物具有較高的純度和結(jié)晶度。通過本方案合成的前驅(qū)體是一種有明確結(jié)構(gòu)的(如圖2所示)、纖維狀(如圖3所示)的晶體材料。在高溫和氨氣參與的反應(yīng)過程中，前驅(qū)體的纖維形貌被破壞，同時前驅(qū)體中的C、H、O元素變成相應(yīng)的氣相化合物隨著氣流排出反應(yīng)區(qū)，氮化鋁晶體顆粒就這這種環(huán)境中形成，并且形成顆粒直徑不大于20nm，分散性較均勻(如圖4和圖5)。得到的疏松質(zhì)氮化鋁產(chǎn)品有高達(dá)110m2/g的比表面積，這與它的超細(xì)納米顆粒形貌有著直接的關(guān)系，如圖6所示。同時，該氮化鋁納米顆粒具有高的純度和結(jié)晶度，能用作透明陶瓷的燒結(jié)原料和導(dǎo)熱介質(zhì)。
[0030]實施例2
[0031]將實施例1中步驟(1)三聚氰胺和九水硝酸鋁的用量分別改為12.6和112.5g(三聚氰胺和九水硝酸鋁的摩爾比例為1:3)，其他的各項操作均與實施例1相同，得到產(chǎn)物同實施例1。
[0032]實施例3
[0033]將實施例1中步驟(1)三聚氰胺和九水硝酸鋁的用量分別改為12.6和225g(三聚氰胺和九水硝酸鋁的摩爾比例分別為1:6)，去離子水用量改為1000毫升，其他的各項操作均與實施例1相同，得到產(chǎn)物同實施例1。
[0034]實施例4、5
[0035]將實施例1中步驟(1)去離子水改為260和560毫升，其他的各項操作均與實施例I相同，得到產(chǎn)物同實施例1。
[0036]實施例6、7
[0037]將實施例1中步驟(1)的水浴溫度改為70°C和90°C，其他的各項操作均與實施例1相同，得到產(chǎn)物同實施例1。
[0038]實施例8、9、10、11、12、13、14
[0039]將實施例1~7中步驟(2)的靜置時間分別改為10小時，其他的各項操作均與實施例I相同，得到產(chǎn)物同實施例1。
[0040]實施例15、16
[0041]將實施例1步驟(3)中的烘干溫度分別改為100和200°C，其他的各項操作均與實施例1相同，得到產(chǎn)物同實施例1。
[0042]實施例17、18
[0043]將實施例1中步驟(4)的氨氣流量分別改為50和200ml/min，其他的各項操作均與實施例1相同，得到產(chǎn)物同實施例1。
[0044]實施例19、20、21、22
[0045]將實施例1中步驟(4)的熱處理溫度分別改為900°C、1000°C、110(rC和1200°C，其他的各項操作均與實施例1相同，得到產(chǎn)物同實施例1。
[0046]實施例23、24
[0047]將實施例1中步驟(4)的氨氣分別改為氮氣和氬氣，其他的各項操作均與實施例1相同，得到產(chǎn)品是a -A1203、AlN和Al5O6N三相的混合物。[0048]如圖7所示的XRD結(jié)果，實例23和24得到的產(chǎn)品的XRD結(jié)果與此相同。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化鋁納米顆粒的合成方法，其特征為包括如下步驟: (1)將三聚氰胺和九水硝酸鋁放入盛有去離子水的反應(yīng)器中，然后水浴升溫至70-97°C，攪拌得到澄清透明溶液；其物料摩爾配比為九水硝酸鋁:密胺=0.5-6:1，三聚氰胺和九水硝酸鋁質(zhì)量之和為反應(yīng)物料體系總質(zhì)量的10%-20% ； (2)將步驟(1)中得到的澄清透明溶液，自然降溫到室溫，然后靜置10-20小時，抽濾混合溶液，得到白色中間產(chǎn)品； (3)在60-200°C烘干步驟(2)中得到的白色中間產(chǎn)品，得到白色纖維質(zhì)前驅(qū)體產(chǎn)品； (4)將步驟(3)中得到的前驅(qū)體在氨氣流中高溫反應(yīng)，氨氣流量為0-300ml/min，反應(yīng)溫度為900-1300°C，保溫時間為1-10 h，反應(yīng)冷卻后自然冷卻至室溫，得到白色的氮化鋁納米顆粒產(chǎn) 品。
【文檔編號】C04B35/581GK103539088SQ201310542482
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】徐學(xué)文, 薛彥明, 唐成春 申請人:河北工業(yè)大學(xué)