專利名稱：生產(chǎn)氮化鋁的方法以及氮化鋁的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)氮化鋁的方法。
相關(guān)技術(shù)的描述氮化鋁(即AlN)具有良好的特性，例如耐熱性、導(dǎo)熱性和電導(dǎo)性，其用途已經(jīng)很廣泛。關(guān)于氮化鋁的用途，可以是用于高溫用途的容器、IC基材等。
工業(yè)氮化鋁是在自然界不存在的人工陶瓷。這主要通過(guò)兩種方法來(lái)生產(chǎn)，即氧化鋁的碳還原氮化方法和鋁的直接氮化方法。
(a)氧化鋁的碳還原氮化方法，(即)氧化鋁的碳還原氮化方法是這樣一種生產(chǎn)工藝，其中具有高純度的氧化鋁在高溫下(例如1700-1900℃)被石墨和氮?dú)膺€原，同時(shí)，由還原生成的鋁被氮?dú)獾瑥亩频玫X。
但是，碳還原氮化方法需要長(zhǎng)時(shí)間來(lái)完成反應(yīng)。因此，生產(chǎn)成本增加，導(dǎo)致氮化鋁比其它陶瓷(例如碳化硅(即SiC)、氧化鋁等)更昂貴的問(wèn)題。
(b)鋁的直接氮化方法(即)自從Briegleb等人首先于1862年成功地合成后，已經(jīng)采用鋁的直接氮化方法。由于該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以直接氮化方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以容易地通過(guò)將純鋁簡(jiǎn)單地放入氮?dú)饬髦衼?lái)制備氮化鋁。
但是，在鋁的直接氮化方法中，當(dāng)鋁的表面被氮化膜覆蓋時(shí)，氮?dú)庀蜾X的供應(yīng)受到氮化膜的阻隔。當(dāng)?shù)獨(dú)獾墓?yīng)受到阻隔時(shí)，鋁的氮化反應(yīng)終止。因此，鋁的直接氮化方法的缺點(diǎn)在于不可能獲得100％純度的氮化鋁。結(jié)果，工業(yè)上的氮化反應(yīng)在鋁被加熱到1000-2000℃的溫度下進(jìn)行。
此外，在鋁的直接氮化方法中，重復(fù)進(jìn)行氮化以及所得氮化鋁的精細(xì)粉碎，以便提高反應(yīng)產(chǎn)率，或進(jìn)行另外的處理例如加入AlF3或AlN，以便完成反應(yīng)。但是，由于氮化鋁本身是硬的，所以需要各種步驟使其粉碎。結(jié)果，生產(chǎn)成本增加。因此，鋁的直接氮化方法的問(wèn)題在于所得的氮化鋁十分昂貴。
美國(guó)專利No.5710382公開(kāi)了一種通過(guò)直接氮化法生產(chǎn)氮化鋁的方法，其中鋁和氮化鋁用作原料。在該美國(guó)專利中提出的生產(chǎn)工藝中，公開(kāi)了兩種加熱方法作為引發(fā)氮化反應(yīng)的方法，即用點(diǎn)火器點(diǎn)燃原料；和簡(jiǎn)單地在加熱爐中加熱原料。根據(jù)該專利，當(dāng)用點(diǎn)火器點(diǎn)燃原料時(shí)，在加熱爐內(nèi)的峰值溫度和在氮化反應(yīng)中的工作物的峰值溫度設(shè)定在1845-2115℃的高溫下，而當(dāng)用加熱爐加熱原料時(shí)，該溫度設(shè)定為1400-2225℃。注意，在用加熱爐加熱的氮化反應(yīng)中，反應(yīng)引發(fā)溫度是1020-1250℃。因此，在加熱爐內(nèi)的峰值溫度和工作物的峰值溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于反應(yīng)引發(fā)溫度。這是由于氮化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，氮化反應(yīng)的反應(yīng)熱進(jìn)一步促進(jìn)氮化反應(yīng)的進(jìn)行。
因此，在通過(guò)直接氮化方法生產(chǎn)氮化鋁的生產(chǎn)方法中，在加熱爐內(nèi)的峰值溫度和工作物的峰值溫度變成高溫。因此，出現(xiàn)了氮化鋁的晶體生長(zhǎng)和燒結(jié)。結(jié)果，問(wèn)題是所得的氮化鋁顆粒的粒徑變大。
發(fā)明概述本發(fā)明是在考慮上述背景下進(jìn)行的。所以，本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)細(xì)粒徑氮化鋁的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)在氮化反應(yīng)的過(guò)程中使氮?dú)鈿夥罩泻杏糜诳刂频磻?yīng)的反應(yīng)控制劑氣體來(lái)生產(chǎn)具有細(xì)粒徑的氮化鋁粉末。
即，根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)氮化鋁的方法包括以下步驟使鋁粉末保持在氮?dú)鈮毫?05-300kPa的氮?dú)鈿夥罩?，從而?00-1000℃的溫度下進(jìn)行氮化反應(yīng)，其中將一種用于控制氮化反應(yīng)進(jìn)程的反應(yīng)控制劑氣體送入裝有鋁粉末的反應(yīng)室中。
在本發(fā)明的生產(chǎn)氮化鋁的方法中，在氮化反應(yīng)的進(jìn)程中使氮?dú)鈿夥罩泻蟹磻?yīng)控制劑氣體，以便控制氮化反應(yīng)的進(jìn)程。因?yàn)榈磻?yīng)作為放熱反應(yīng)受到控制，所以由反應(yīng)熱誘導(dǎo)的進(jìn)一步氮化反應(yīng)受到控制。結(jié)果，鏈?zhǔn)降磻?yīng)不太可能發(fā)展，從而可以在低溫下進(jìn)行氮化反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)氮化鋁的方法，可以在低溫下進(jìn)行氮化反應(yīng)。因此，可以生產(chǎn)細(xì)粒徑的氮化鋁粉末。此外，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)氮化鋁的方法，可以通過(guò)將氮化反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量釋放到反應(yīng)室外部來(lái)抑制工作物的溫度升高。結(jié)果，可以生產(chǎn)細(xì)的氮化鋁粉末。
根據(jù)本發(fā)明的氮化鋁經(jīng)過(guò)以下步驟使鋁粉末保持在氮?dú)鈮毫?05-300kPa的氮?dú)鈿夥罩?，從而?00-1000℃的溫度下進(jìn)行氮化反應(yīng)，其中將一種用于控制氮化反應(yīng)進(jìn)程的反應(yīng)控制劑氣體送入裝有鋁粉末的反應(yīng)室中。
當(dāng)生產(chǎn)本發(fā)明的氮化鋁時(shí)，在氮化反應(yīng)的過(guò)程中，將反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室中，以便控制作為放熱反應(yīng)的氮化反應(yīng)的進(jìn)程。進(jìn)而，由反應(yīng)熱誘導(dǎo)的進(jìn)一步氮化反應(yīng)受到控制。也就是說(shuō)，當(dāng)生產(chǎn)本發(fā)明的氮化鋁時(shí)，在低溫下進(jìn)行氮化反應(yīng)。結(jié)果，本發(fā)明的氮化鋁是小粒徑的氮化鋁粉末。此外，當(dāng)生產(chǎn)本發(fā)明的氮化鋁時(shí)，可以通過(guò)將氮化反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量釋放到反應(yīng)室外部來(lái)抑制工作物的溫度升高。結(jié)果，本發(fā)明的氮化鋁是細(xì)粒徑的氮化鋁粉末。
所以，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)氮化鋁的方法，在氮化反應(yīng)的過(guò)程中將反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室中。因此，氮化反應(yīng)的進(jìn)程受到控制。因?yàn)榈磻?yīng)作為放熱反應(yīng)受到控制，所以由反應(yīng)熱誘導(dǎo)的進(jìn)一步氮化反應(yīng)受到控制。此外，可以通過(guò)將氮化反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量釋放到反應(yīng)室外部來(lái)抑制工作物的溫度升高。結(jié)果，鏈?zhǔn)降磻?yīng)不太可能發(fā)展，從而可以在低溫下進(jìn)行氮化反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)氮化鋁的方法，可以在低溫下進(jìn)行氮化反應(yīng)。結(jié)果，可以生產(chǎn)小粒徑的氮化鋁粉末。此外，當(dāng)使用小粒徑的氮化鋁粉末作為基材原料時(shí)，可以降低煅燒基材的溫度。所以，可以預(yù)期這種氮化鋁粉末能積極地用作高品質(zhì)基材的原料。
附圖簡(jiǎn)述對(duì)本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)的更完全的理解將通過(guò)參考以下的詳細(xì)描述和附圖來(lái)實(shí)現(xiàn)，它們都是本發(fā)明的一部分

圖1是說(shuō)明在本發(fā)明實(shí)施例中使用的氮化爐的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的氮化鋁粉末的SEM(即，掃描電子顯微術(shù))照片；和圖3是本發(fā)明實(shí)施例5的氮化鋁粉末的SEM照片。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述在總體描述了本發(fā)明之后，通過(guò)參考具體的優(yōu)選實(shí)施方案來(lái)進(jìn)一步理解本發(fā)明，這里提供的這些優(yōu)選實(shí)施方案僅僅用于說(shuō)明目的，而不是限制所附權(quán)利要求的范圍。
(生產(chǎn)氮化鋁的方法)在本發(fā)明的生產(chǎn)氮化鋁的方法中，使鋁粉末保持在氮?dú)鈮毫?05-300kPa的氮?dú)鈿夥罩?，從而?00-1000℃的溫度下進(jìn)行氮化反應(yīng)。
也就是說(shuō)，在本發(fā)明的生產(chǎn)氮化鋁的方法中，通過(guò)將鋁粉末保持在具有預(yù)定氮?dú)鈮毫图訜釡囟鹊臍夥罩衼?lái)進(jìn)行鋁的氮化反應(yīng)。注意，一般來(lái)說(shuō)，陶瓷的初級(jí)顆粒直徑尺寸取決于反應(yīng)引發(fā)溫度。但是，當(dāng)隨后的反應(yīng)熱導(dǎo)致溫度升高時(shí)，晶體顆粒燒結(jié)并生長(zhǎng)變粗。在本發(fā)明方法中，由于抑制了從反應(yīng)引發(fā)溫度發(fā)生進(jìn)一步的升溫，所以可以通過(guò)氮化反應(yīng)的反應(yīng)溫度來(lái)確定氮化鋁顆粒的粒徑。氮化反應(yīng)的反應(yīng)溫度越低，粒徑就越小。反應(yīng)溫度在很大程度上取決于原料的類型和粒徑。例如，在含有鎂的鋁合金中，反應(yīng)在低溫例如500℃下開(kāi)始。在含有硅的鋁合金中，反應(yīng)在高溫下開(kāi)始。此外，鋁粉末的粒徑越小，反應(yīng)起始的溫度越低。在純鋁粉末的情況下，氮化反應(yīng)通常在550-700℃下開(kāi)始。例如，在顆粒粒徑為約100微米且一般稱為粗顆粒的純鋁粉末的情況下，如果在溫度升高的過(guò)程中進(jìn)行氮?dú)馕辗磻?yīng)，則氮化反應(yīng)在約750℃開(kāi)始。
當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫Ρ３衷?05-300kPa范圍內(nèi)時(shí)，可以將足以用于氮化反應(yīng)的量的氮?dú)馑椭龄X粉末。例如，當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫π∮?05kPa時(shí)，空氣從外部侵入，導(dǎo)致鋁粉末被氧化的危險(xiǎn)。另一方面，當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫Τ^(guò)300kPa時(shí)，在氮化反應(yīng)中很難實(shí)現(xiàn)反應(yīng)效率的提高，且生產(chǎn)成本增加。
此外，當(dāng)?shù)磻?yīng)溫度低于500℃時(shí)，氮化反應(yīng)引發(fā)時(shí)需要較長(zhǎng)的時(shí)間。另一方面，當(dāng)該溫度超過(guò)1000℃時(shí)，所生產(chǎn)的氮化鋁顆粒的粒徑會(huì)過(guò)度變大。
在通過(guò)氮?dú)膺M(jìn)行鋁粉末的直接氮化方法(即)中，形成氮化鋁的自由能(即吉布斯自由能)總是負(fù)值。因此，例如即使當(dāng)溫度低于460℃時(shí)，認(rèn)為通過(guò)將鋁粉末長(zhǎng)時(shí)間保持在該溫度下形成了氮化鋁。但是，當(dāng)需要長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，生產(chǎn)成本增加。此外，在鋁粉末的氮化反應(yīng)中，溫度越高，反應(yīng)速率越快。結(jié)果，從工業(yè)角度考慮，在稍高的溫度例如500℃或更高的溫度下發(fā)生氮化反應(yīng)。進(jìn)一步優(yōu)選的是，希望氮化反應(yīng)溫度可以是550℃或更高。
更具體地說(shuō)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，確定以下條件。當(dāng)將鋁粉末保持在520℃的氮?dú)鈿夥罩袝r(shí)，在3-30小時(shí)后開(kāi)始進(jìn)行氮化反應(yīng)，且該反應(yīng)在約92％產(chǎn)率時(shí)終止。該氮化反應(yīng)需要如此長(zhǎng)時(shí)間的原因是在鋁表面上開(kāi)始形成氧化物膜。此外，在通常的低溫氮化反應(yīng)中，不可能在反應(yīng)初始階段用氮?dú)膺€原氧化鋁。也就是說(shuō)，氮?dú)庵鸩角秩脘X內(nèi)部是需要時(shí)間的。氮化反應(yīng)在一定時(shí)間后快速開(kāi)始，并終止。結(jié)果，在低溫氮化處理中，通常難以實(shí)現(xiàn)100％氮化。
此外，在鋁粉末的直接氮化方法中，重要的是使氮?dú)鈿夥罩械难鹾康?。這是因?yàn)殇X是易于被氧化的金屬。由此，希望在反應(yīng)室中的露點(diǎn)是-50℃或更低。
在本發(fā)明的生產(chǎn)氮化鋁的方法中，將一種用于控制氮化反應(yīng)進(jìn)程的反應(yīng)控制劑氣體送入裝有鋁粉末的反應(yīng)室中。因?yàn)閷⒎磻?yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室中，所以鋁粉末的氮化反應(yīng)的鏈?zhǔn)桨l(fā)展受到抑制。因此，可以在低溫下進(jìn)行氮化反應(yīng)。
具體地說(shuō)，直接氮化反應(yīng)是明顯的放熱反應(yīng)，在理論上，氮化1千克鋁會(huì)產(chǎn)生2800千卡(即約1.172×104kJ)的熱量。此外，為了氮化1千克鋁，必要的是使用約420升的氮?dú)?。因此，?dāng)一部分鋁發(fā)生氮化反應(yīng)時(shí)，由反應(yīng)熱引起鏈?zhǔn)降磻?yīng)，導(dǎo)致鋁的溫度突然上升。
一般來(lái)說(shuō)，鋁的溫度升高約250-600℃。但是，根據(jù)鋁的量和反應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)，這會(huì)變?yōu)?000℃或更高。當(dāng)鋁的溫度升高時(shí)，氮化鋁顆粒開(kāi)始進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，顆粒會(huì)互相燒結(jié)。因此，所得的氮化鋁顆粒不利地變粗。
在本發(fā)明的生產(chǎn)氮化鋁的方法中，待氮化的鋁粉末在其表面上可能具有氧化物膜。這是因?yàn)樵诳諝庵?，鋁的特性使其與空氣中的氧反應(yīng)，在表面上形成穩(wěn)定的氧化物膜。
優(yōu)選在鋁粉末進(jìn)行氮?dú)獍靥幚碇筮M(jìn)行氮化反應(yīng)，在該處理中，使鋁粉末在450-600℃的氮?dú)鈿夥罩斜３?0-120分鐘以便在鋁粉末中包藏氮?dú)?。通過(guò)在氮化反應(yīng)之前在鋁粉末中包藏氮?dú)?，氮?dú)?用于在隨后氮化反應(yīng)中與鋁粉末反應(yīng))保持處于鋁粉末附近。因此，即使當(dāng)?shù)磻?yīng)中出現(xiàn)快速反應(yīng)時(shí)，氮化反應(yīng)所需的氮?dú)饬恳膊粫?huì)不充足。
現(xiàn)在還不清楚氮?dú)馊绾伟卦阡X粉末中的機(jī)理。但是，假定氮?dú)庋刂趸X表面的缺陷或顆粒邊界侵入鋁的內(nèi)部，氧化鋁和氮?dú)庑纬晒曹椈衔?，使得氮?dú)獍卦阡X粉末內(nèi)部。
在氮?dú)獍靥幚碇?，鋁粉末優(yōu)選以10℃/分鐘或更低的升溫速率從460℃或更高的溫度被加熱到氮化反應(yīng)的氮化溫度。當(dāng)以10℃/分鐘或更低的升溫速率加熱鋁粉末時(shí)，鋁粉末可以完全包藏氮?dú)?。另一方面，?dāng)升溫速率超過(guò)10℃/分鐘時(shí)，鋁粉末不充足地包藏氮?dú)?，?dǎo)致鋁保留在所得的氮化鋁中。
在氮?dú)獍靥幚碇?，鋁粉末優(yōu)選以1-6℃/分鐘的升溫速率從460℃或更高的溫度被加熱到氮化反應(yīng)的氮化溫度。當(dāng)升溫速率低于該范圍的下限時(shí)，將鋁粉末加熱到氮化溫度需要更長(zhǎng)的時(shí)間。因此，升溫速率優(yōu)選是1-6℃/分鐘。
在氮?dú)獍靥幚碇?，?yōu)選使鋁粉末在從460℃或更高至600℃或更低的溫度下保持預(yù)定的時(shí)間。當(dāng)使鋁粉末在從460℃或更高至600℃或更低的溫度下保持預(yù)定的時(shí)間時(shí)，鋁粉末可以包藏足量的氮?dú)狻?br> 在氮?dú)獍靥幚碇?，預(yù)定時(shí)間優(yōu)選是5-30分鐘。當(dāng)將鋁粉末在上述溫度下保持5-30分鐘的預(yù)定時(shí)間時(shí)，鋁粉末可以包藏足量的氮?dú)狻?br> 在氮?dú)獍靥幚斫?jīng)過(guò)預(yù)定的時(shí)間之后，優(yōu)選立即將鋁粉末以10℃/分鐘或更高的升溫速率加熱到氮化反應(yīng)的氮化溫度。注意，使鋁粉末在預(yù)定溫度下保持更長(zhǎng)的時(shí)間和更緩慢地升高溫度不是優(yōu)選的，因?yàn)檫@在特定時(shí)間突然引起常規(guī)氮化反應(yīng)，伴隨著反應(yīng)熱。
氮化反應(yīng)可以優(yōu)選在將氮化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量釋放到反應(yīng)室外部的同時(shí)進(jìn)行，這種釋放通過(guò)反應(yīng)爐的爐壁、劃分反應(yīng)室以及將工作物溫度與氮化反應(yīng)引發(fā)溫度之間的溫差控制為100℃或更低來(lái)進(jìn)行。當(dāng)工作物溫度與氮化反應(yīng)引發(fā)溫度之間的溫差控制為100℃或更低時(shí)，可以生產(chǎn)細(xì)粒徑的氮化鋁粉末。也就是說(shuō)，隨著氮化反應(yīng)的進(jìn)行，抑制了工作物的升溫。因此，鏈?zhǔn)降磻?yīng)的發(fā)展受到抑制。所以，可以在低溫下進(jìn)行氮化反應(yīng)。此外，由于通過(guò)反應(yīng)爐的爐壁、劃分反應(yīng)室的方式而將氮化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量釋放到反應(yīng)室外部，所以可以抑制工作物的升溫。
由氮化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可以按照以下方式被釋放到反應(yīng)室外部。例如反應(yīng)爐的爐壁由具有良好導(dǎo)熱性的材料制成，并控制反應(yīng)爐的外部溫度，使得該溫度低于反應(yīng)爐的內(nèi)部溫度。因此，可以將熱量釋放到反應(yīng)室外部。
在這種情況下，按照以下方式控制反應(yīng)爐的外部溫度，使得該溫度低于反應(yīng)爐的內(nèi)部溫度。例如，減少加熱器(該加熱器用于引起氮化反應(yīng)和控制氮化反應(yīng)的反應(yīng)溫度)的熱容量，或通過(guò)將空氣送入反應(yīng)爐的外部來(lái)冷卻反應(yīng)爐。
在本發(fā)明的生產(chǎn)氮化鋁的方法中，工作物指正在進(jìn)行氮化反應(yīng)的鋁粉末。也就是說(shuō)，指這樣一種狀態(tài)，其中由氮化反應(yīng)形成的氮化鋁與未發(fā)生氮化反應(yīng)的鋁混合。
在氮化反應(yīng)中，當(dāng)鋁粉末進(jìn)行氮化反應(yīng)時(shí)，工作物的峰值溫度優(yōu)選是900℃或更低。在這里，峰值溫度指由于氮化反應(yīng)升高的工作物的最高溫度。當(dāng)將峰值溫度控制為900℃或更低時(shí)，可以生產(chǎn)細(xì)粒徑的氮化鋁粉末。當(dāng)峰值溫度超過(guò)900℃時(shí)，所得的氮化鋁顆粒由于晶體生長(zhǎng)和燒結(jié)而變粗。
氮?dú)鈿夥諆?yōu)選通過(guò)一種從用于將氮?dú)膺B續(xù)送入反應(yīng)室的氮?dú)夤?yīng)裝置供應(yīng)的氮?dú)庖约耙环N從用于從反應(yīng)室排出氮?dú)獾呐艢庋b置排出的氮?dú)鈦?lái)保持。也就是說(shuō)，可以通過(guò)一種從氮?dú)夤?yīng)裝置供應(yīng)的氮?dú)夂鸵环N從排氣裝置排出的氮?dú)鈦?lái)保持裝有鋁粉末的反應(yīng)室的氮?dú)鈮毫Α?br> 具體地說(shuō)，鋁粉末的氮化反應(yīng)快速地進(jìn)行。因此，當(dāng)?shù)磻?yīng)被引發(fā)時(shí)，反應(yīng)室中的氮?dú)獗幌模沟玫獨(dú)鈮毫彼傧陆?。所以，?dāng)用氮?dú)夤?yīng)裝置和排氣裝置保持反應(yīng)室內(nèi)的氮?dú)鈮毫r(shí)，可以抑制反應(yīng)室內(nèi)的氮?dú)鈮毫Πl(fā)生變化。
此外，當(dāng)檢測(cè)從氮?dú)夤?yīng)裝置供應(yīng)的氮?dú)夂蛷呐艢庋b置排出的氮?dú)獾母髯詨毫r(shí)，可以確定反應(yīng)室內(nèi)的氮?dú)鈮毫?。另外，可以?jì)算在氮?dú)獍靥幚碇性阡X粉末中包藏的氮?dú)?，和?jì)算在氮化反應(yīng)過(guò)程中氮?dú)鈮毫Φ南陆怠?br> 優(yōu)選當(dāng)反應(yīng)室內(nèi)的氮?dú)鈮毫ο陆禃r(shí)將反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室。反應(yīng)控制劑氣體是當(dāng)?shù)磻?yīng)被引發(fā)時(shí)被送入反應(yīng)室的一種氣體。通過(guò)檢測(cè)氮?dú)鈮毫Γ梢杂^察氮化反應(yīng)的引發(fā)。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)磻?yīng)被引發(fā)時(shí)，構(gòu)成氮?dú)鈿夥盏牡獨(dú)馀c鋁粉末發(fā)生反應(yīng)，使得反應(yīng)室內(nèi)的氮?dú)饬繙p少，氮?dú)鈮毫档?。因此，通過(guò)當(dāng)?shù)獨(dú)鈮毫ο陆禃r(shí)將反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室，可以控制氮化反應(yīng)的進(jìn)程。
優(yōu)選當(dāng)反應(yīng)室內(nèi)的氮?dú)鈮毫ο陆禃r(shí)開(kāi)始將反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室，并當(dāng)反應(yīng)室內(nèi)的氮?dú)鈮毫謴?fù)時(shí)停止這種供應(yīng)。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)磻?yīng)中氮?dú)獾南南陆禃r(shí)出現(xiàn)氮?dú)鈮毫Φ幕謴?fù)，因此這種恢復(fù)意味著氮化反應(yīng)的終止。
優(yōu)選當(dāng)工作物的溫度升高時(shí)將反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室。當(dāng)?shù)磻?yīng)被引發(fā)時(shí)，反應(yīng)控制劑氣體被送入反應(yīng)室。同時(shí)，可以通過(guò)檢測(cè)工作物的溫度來(lái)觀測(cè)氮化反應(yīng)的引發(fā)。這是因?yàn)?，?dāng)?shù)磻?yīng)被引發(fā)時(shí)，產(chǎn)生反應(yīng)熱，使得工作物的溫度升高。
反應(yīng)控制劑氣體可以優(yōu)選是選自氬氣和氨氣中的至少一種。這些氣體能控制氮化反應(yīng)的進(jìn)程。
在氧化鋁的等離子滲氮中，氬氣用作氮?dú)獾妮d氣。等離子滲氮通過(guò)使用一種混合氣體來(lái)進(jìn)行，在這種混合氣體中，5-20％體積的氮?dú)馀c其余量的氬氣混合。
現(xiàn)在還不知道氬氣實(shí)際用于常規(guī)的鋁的直接氮化方法中。1992年，公開(kāi)了對(duì)“其中表面被氧化的鋁粉末用作原料的生產(chǎn)氮化鋁的方法”研究的報(bào)道(Itoh和Enami等人，Tokyo University of Science，Journal of theCeramic Society of Japan 100[5]，629-633頁(yè)(1992))。在該報(bào)道中，一個(gè)例子是通過(guò)在氮?dú)庵屑尤?0-70％體積的氬氣來(lái)進(jìn)行氮化實(shí)驗(yàn)。在該例子中，在900-1300℃的反應(yīng)溫度下生產(chǎn)氮化鋁，同時(shí)從開(kāi)始到結(jié)束都供應(yīng)預(yù)定量的氬氣，在氮化反應(yīng)引發(fā)之后2小時(shí)和5小時(shí)，觀測(cè)氮化產(chǎn)率和反應(yīng)產(chǎn)物的可粉碎性。
根據(jù)該報(bào)道，在所有溫度范圍和在所有氬氣含量下都出現(xiàn)氮化反應(yīng)，獲得的最高氮化產(chǎn)率是94％。研究者解釋最高的氮化產(chǎn)率值是由于氧化引起的。此外，在該報(bào)道中，研究者報(bào)告了通過(guò)使用氬氣含量為10％體積的混合氣體獲得97.5％的氮化產(chǎn)率。研究者還報(bào)告，與氬氣含量無(wú)關(guān)，所有反應(yīng)產(chǎn)物的可粉碎性都得到提高。
另一方面，本發(fā)明人研究了氬氣的添加對(duì)在低溫度范圍600-750℃下的氮化反應(yīng)的影響。注意，在此研究中，從氮化反應(yīng)開(kāi)始到結(jié)束，氬氣的供應(yīng)量是相對(duì)于100％體積的混合氣體總供應(yīng)量計(jì)的30％體積或更大。
根據(jù)氬氣的添加對(duì)低溫氮化反應(yīng)影響的研究結(jié)果，當(dāng)氬氣含量為50％體積或更大時(shí)，完全不發(fā)生氮化反應(yīng)。此外，當(dāng)在僅僅通過(guò)純氮?dú)膺M(jìn)行氮化反應(yīng)的同時(shí)供應(yīng)50％體積比例或更大的氬氣時(shí)，本發(fā)明人確定氮化反應(yīng)終止。
此外，本發(fā)明人確定了當(dāng)在僅僅通過(guò)純氮?dú)膺M(jìn)行氮化反應(yīng)的同時(shí)供應(yīng)3-20％體積比例的氬氣時(shí)，發(fā)生了氮化反應(yīng)，盡管該反應(yīng)進(jìn)行緩慢。根據(jù)上述研究報(bào)告，當(dāng)使用其中混入30-70％體積比例的氬氣的氮?dú)鈺r(shí)，在900-1300℃反應(yīng)溫度范圍內(nèi)沒(méi)有觀察到氬氣的影響，并發(fā)生氮化反應(yīng)。另一方面，在根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)氮化鋁方法的600-750℃的加熱溫度范圍內(nèi)，氮化反應(yīng)終止或進(jìn)行緩慢。這種差別看似在于溫度差別，但是，認(rèn)為這種差別是由于反應(yīng)活性差別導(dǎo)致的，即在該報(bào)告中公開(kāi)的氮化反應(yīng)是在液相中進(jìn)行，而本發(fā)明的氮化反應(yīng)是在固相中進(jìn)行。
此外，在氮化鋁或鋼的情況下，將痕量的氨氣作為氮化劑加入氮?dú)庵?。與氬氣的情況相似，在600-750℃溫度范圍內(nèi)觀察氨氣的反應(yīng)活性。結(jié)果，本發(fā)明人確認(rèn)氮化反應(yīng)終止。也就是說(shuō)，可以通過(guò)在進(jìn)行氮化反應(yīng)時(shí)將氨氣送入反應(yīng)室中來(lái)暫時(shí)終止氮化反應(yīng)。注意，還不清楚送入氨氣會(huì)終止氮化反應(yīng)的原因。但是，假定是因?yàn)樵显趯?shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)是固體，在固相鋁粉末中形成化合物例如AlH3來(lái)干擾氮?dú)獾那秩搿?br> 所以，當(dāng)將送入反應(yīng)室的全部氣體量作為100％體積時(shí)，優(yōu)選將1-50％體積比例的反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室中。
在本發(fā)明生產(chǎn)氮化鋁的方法中，優(yōu)選剛好在完成氮化反應(yīng)之前停止將反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室，并優(yōu)選將反應(yīng)溫度提高30-120℃。通過(guò)停止供應(yīng)反應(yīng)控制劑氣體以及通過(guò)提高反應(yīng)溫度，可以氮化所有的原料鋁粉末。
鋁粉末可以優(yōu)選處于未壓縮的組合體狀態(tài)。當(dāng)鋁粉末處于未壓縮的組合體狀態(tài)時(shí)，形成的氮化鋁顆粒不會(huì)與相鄰的氮化鋁顆粒燒結(jié)。從鋁向氮化鋁的轉(zhuǎn)變伴隨著體積膨脹。因此，當(dāng)鋁粉末處于壓縮的組合體狀態(tài)時(shí)，形成的氮化鋁顆粒發(fā)生燒結(jié)，降低了可粉碎性。此外，當(dāng)鋁粉末處于未壓縮的組合體狀態(tài)時(shí)，它可以在氮?dú)獍靥幚碇邪氐獨(dú)狻Q句話說(shuō)，當(dāng)鋁粉末處于未壓縮的組合體狀態(tài)時(shí)，鋁粉末的各顆?？梢砸猿渥愕谋砻娣e與氮?dú)饨佑|，從而鋁粉末能在其中充分包藏氮?dú)狻?br> 鋁粉末可以優(yōu)選被分成多個(gè)部分并裝入反應(yīng)室中。當(dāng)鋁粉末被分成多個(gè)部分且每個(gè)部分裝入反應(yīng)室中時(shí)，制得的氮化鋁是粒徑不會(huì)波動(dòng)的顆粒。因此，可以控制每部分鋁粉末的氮化反應(yīng)。
具體地說(shuō)，當(dāng)在大量鋁粉末以未壓縮的組合體方式被裝入反應(yīng)室中的狀態(tài)下進(jìn)行氮化反應(yīng)時(shí)，在鋁粉末組合體內(nèi)部和其表層之間存在溫度差異。因此，難以觀察和控制鋁粉末組合體內(nèi)部的氮化反應(yīng)。所以，所得的氮化鋁顆粒的粒徑發(fā)生很大的波動(dòng)。另一方面，當(dāng)以分成多個(gè)部分的方式在反應(yīng)室內(nèi)裝入少量鋁粉末時(shí)，容易觀察和控制鋁粉末組合體的各部分的內(nèi)部的氮化反應(yīng)。所以，所得氮化鋁顆粒的粒徑的波動(dòng)受到抑制。
當(dāng)鋁粉末被分成多個(gè)部分且每部分裝在反應(yīng)室中時(shí)，這些部分的數(shù)目越大，所得氮化鋁顆粒粒徑的波動(dòng)受到抑制的程度就越大。
對(duì)將鋁粉末分成多個(gè)部分并將它們裝入反應(yīng)室的方式?jīng)]有特別的限制。例如，可以是多個(gè)反應(yīng)器盤(pán)，在其中保留細(xì)分的鋁粉末，并分層和裝在反應(yīng)室中。
完成氮化反應(yīng)所需的時(shí)間優(yōu)選是在鋁粉末溫度達(dá)到預(yù)定反應(yīng)溫度后的2-10小時(shí)。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間控制為2-10小時(shí)時(shí)，可以生產(chǎn)小粒徑的氮化鋁粉末。若完成氮化反應(yīng)所需的時(shí)間小于2小時(shí)，則氮化反應(yīng)的進(jìn)行速率太快，致使所得的氮化鋁顆粒聚集。另一方面，若完成氮化反應(yīng)所需的時(shí)間超過(guò)10小時(shí)，則需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)加熱鋁粉末，導(dǎo)致生產(chǎn)氮化鋁粉末所需的成本增加。
反應(yīng)控制劑氣體可以優(yōu)選按照以下方式來(lái)供應(yīng)。例如，當(dāng)將氮化鋁粉末加熱到預(yù)定反應(yīng)溫度時(shí)開(kāi)始供應(yīng)反應(yīng)控制劑氣體，反應(yīng)控制劑氣體的供應(yīng)量逐步增加到能控制氮化反應(yīng)進(jìn)程的預(yù)定氣體分壓，在將預(yù)定氣體分壓保持預(yù)定時(shí)間之后，逐步降低反應(yīng)控制劑氣體的氣體分壓，并停止供應(yīng)反應(yīng)控制劑氣體。通過(guò)控制送入反應(yīng)室的反應(yīng)控制劑氣體的供應(yīng)量，可以控制氮化反應(yīng)的進(jìn)程。在鋁粉末達(dá)到預(yù)定氮化溫度之后，氮化反應(yīng)被引發(fā)。但是在這種情況下，當(dāng)在反應(yīng)室中存在大量反應(yīng)控制劑氣體時(shí)，需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)引發(fā)氮化反應(yīng)。因此，當(dāng)使反應(yīng)控制劑氣體的氣體分壓較小時(shí)，氮化反應(yīng)可以被引發(fā)。然后，當(dāng)進(jìn)行氮化反應(yīng)時(shí)，將足以抑制氮化反應(yīng)按鏈?zhǔn)椒绞桨l(fā)展的量的反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室中。此后，當(dāng)鋁粉末被完全氮化時(shí)，逐步減少供應(yīng)至停止供應(yīng)反應(yīng)控制劑氣體。通過(guò)逐步減少供應(yīng)反應(yīng)控制劑氣體，可以抑制尚未被氮化的鋁粉末快速進(jìn)行氮化反應(yīng)。
反應(yīng)控制劑氣體的氣體分壓可以優(yōu)選保持一定的時(shí)間，其中鋁粉末按照1/2至3/4的重量比例被氮化?？梢詮匿X粉末的重量變化和反應(yīng)室內(nèi)氮?dú)夥謮旱淖兓瘉?lái)計(jì)算鋁粉末的氮化量。
此外，優(yōu)選在停止供應(yīng)反應(yīng)控制劑氣體之后進(jìn)一步將氮?dú)馑腿敕磻?yīng)室。當(dāng)在停止供應(yīng)反應(yīng)控制劑氣體之后進(jìn)一步供應(yīng)氮?dú)鈺r(shí)，可以將未氮化的鋁粉末進(jìn)行氮化。在這種情況下，由于大部分鋁粉末已被氮化，所以很難進(jìn)行會(huì)引起劇烈升溫的鏈?zhǔn)降磻?yīng)。因此，控制氮化反應(yīng)不是必要的。
在本發(fā)明的生產(chǎn)氮化鋁的方法中，由于當(dāng)進(jìn)行氮化反應(yīng)時(shí)加入了反應(yīng)控制劑氣體，所以氮化反應(yīng)的進(jìn)程受到控制。也就是說(shuō)，由于作為放熱反應(yīng)的氮化反應(yīng)的進(jìn)程受到控制，所以由反應(yīng)熱引起的進(jìn)一步反應(yīng)受到控制。結(jié)果，很難發(fā)生鏈?zhǔn)降磻?yīng)，使得有可能在低溫下進(jìn)行氮化反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)方法，可以在低溫下進(jìn)行氮化反應(yīng)。因此，可以生產(chǎn)小粒徑的氮化鋁粉末。
(氮化鋁)根據(jù)本發(fā)明的氮化鋁經(jīng)過(guò)以下步驟使鋁粉末保持在氮?dú)鈮毫?05-300kPa的氮?dú)鈿夥罩?，從而?00-1000℃的溫度下進(jìn)行氮化反應(yīng)，其中將一種用于控制氮化反應(yīng)進(jìn)程的反應(yīng)控制劑氣體送入裝有鋁粉末的反應(yīng)室中。
也就是說(shuō)，當(dāng)生產(chǎn)本發(fā)明的氮化鋁時(shí)，氮化反應(yīng)在低溫下進(jìn)行，這是由于在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行鋁粉末的氮化反應(yīng)的同時(shí)供應(yīng)反應(yīng)控制劑氣體。注意，一般來(lái)說(shuō)，陶瓷的初級(jí)顆粒直徑尺寸取決于反應(yīng)引發(fā)溫度。在本發(fā)明的氮化鋁中，氮化鋁顆粒的粒徑由氮化反應(yīng)引發(fā)溫度來(lái)確定。因?yàn)樵诘蜏叵逻M(jìn)行氮化反應(yīng)，所以本發(fā)明的氮化鋁是小粒徑的氮化鋁粉末。
除了上述具體說(shuō)明之外，本發(fā)明的氮化鋁與本發(fā)明生產(chǎn)氮化鋁的方法中所述相同。所以，在這里不再詳細(xì)描述相同的方案。本發(fā)明的氮化鋁可以優(yōu)選具有粒徑為1微米或更小，比表面積為2.5m2/g或更大。當(dāng)粒徑是1微米或更小且比表面積為2.5m2/g或更大時(shí)，本發(fā)明的氮化鋁是小粒徑的氮化鋁粉末。
實(shí)施例下面將參考具體實(shí)施例描述本發(fā)明。
作為根據(jù)本發(fā)明的例子，制造氮化爐，并使用氮化爐來(lái)氮化鋁粉末。圖1顯示制造的氮化爐的結(jié)構(gòu)。
(氮化爐)氮化爐1是電爐，包括箱形爐殼10、耐熱性馬弗爐11和加熱器12。耐熱性馬弗爐11放置在爐殼10中，并具有加強(qiáng)肋。此外，耐熱性馬弗爐11的爐壁由不銹鋼(例如SUS304，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))制成。爐壁的厚度是6毫米。耐熱性馬弗爐11的內(nèi)容積是80升。加熱器12放置在爐殼10內(nèi)，面對(duì)耐熱性馬弗爐11的外周表面。
耐熱性馬弗爐11具有氣密性爐結(jié)構(gòu)，當(dāng)被真空泵14抽真空時(shí)，能保持0.1kPa的壓力。
在氮化爐1中，在爐殼10的內(nèi)周表面與耐熱性馬弗爐11的底表面之間有約70毫米的空間。氮化爐1配備有用于將空氣送入該空間的空氣供應(yīng)裝置15，和用于排出該空間內(nèi)的空氣的空氣排出裝置16。注意，空氣供應(yīng)裝置15能將壓力為0.6MPa的工業(yè)空氣送入爐殼10與耐熱性馬弗爐11之間的空間內(nèi)。
此外，氮化爐1配備有氣體供應(yīng)裝置2。氣體供應(yīng)裝置2能將氮?dú)夂蜌鍤馑腿肽蜔嵝择R弗爐11。
氣體供應(yīng)裝置2包括氮?dú)鈨?chǔ)罐21、氬氣儲(chǔ)罐25、管道20、閥門22和26，以及質(zhì)流計(jì)23和27。管道20的一端與氮?dú)鈨?chǔ)罐21和氬氣儲(chǔ)罐25連接，并開(kāi)放另一端以便面對(duì)耐熱性馬弗爐11的爐壁。閥門22和26分別位于管道20和氮?dú)鈨?chǔ)罐21之間的連接處以及管道20和氬氣儲(chǔ)罐25之間的連接處。質(zhì)流計(jì)23和27位于管道20中，并檢測(cè)通過(guò)管道20的氣體的流速。質(zhì)流計(jì)23和27由YAMATAKE Co.，Ltd制造。注意，可以通過(guò)質(zhì)流計(jì)23和27將來(lái)自氣體供應(yīng)裝置2的氣體的流速適宜地控制在2-50升/分鐘的范圍內(nèi)。
另外，氮化爐1包括排出裝置4，用于將耐熱性馬弗爐11內(nèi)的氣體排到外面。排出裝置4包括管道41和排出閥門42。管道41的一端通入耐熱性馬弗爐11，并在另一端向耐熱性馬弗爐11的外部開(kāi)放。排出閥門42位于管道41中，并控制通過(guò)管道41的氣體的流速。
此外，氮化爐1配備有壓力表51，用于檢測(cè)耐熱性馬弗爐11內(nèi)的氣體壓力。壓力表51由CKD Co.，Ltd制造，其檢測(cè)范圍是0-200kPa，其接觸數(shù)目是4。
此外，氮化爐1配備有四個(gè)熱電偶52。熱電偶52在四個(gè)位置檢測(cè)耐熱性馬弗爐11的溫度，即在耐熱性馬弗爐11的底部爐壁內(nèi)側(cè)，在耐熱性馬弗爐11的底部表面壁外側(cè)，在耐熱性馬弗爐11的頂部爐壁，和在裝在耐熱性馬弗爐11內(nèi)的鋁粉末中。
氮化爐1還包括計(jì)算裝置55，它與空氣供應(yīng)裝置15、空氣排出裝置16、壓力表51、熱電偶52和閥門22、26和42電連接。計(jì)算裝置55能從設(shè)備例如壓力表51和熱電偶52檢測(cè)的數(shù)據(jù)計(jì)算耐熱性馬弗爐11內(nèi)的環(huán)境變量，能根據(jù)對(duì)所需設(shè)定條件的偏移來(lái)決定閥門22、26和42的開(kāi)放程度，并能開(kāi)啟和關(guān)閉各閥門22、26和42。此外，計(jì)算裝置55能通過(guò)啟動(dòng)空氣供應(yīng)裝置15和空氣排出裝置16將耐熱性馬弗爐11的溫度保持在所希望的溫度。此外，計(jì)算裝置55可具有顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)的輸出裝置(未顯示)。
此外，要用氮化爐1氮化的鋁粉末以這樣一種狀態(tài)被裝入耐熱性馬弗爐11內(nèi)，即將該粉末儲(chǔ)存在箱形反應(yīng)器盤(pán)17中。反應(yīng)器盤(pán)17由石墨制成，內(nèi)容積為6升。注意，根據(jù)鋁粉末的量，反應(yīng)器盤(pán)17被分層為1-3段使用。
實(shí)施例1作為實(shí)施例1，平均粒徑為30微米的高純度鋁粉末用氮化爐1氮化來(lái)生產(chǎn)氮化鋁粉末。鋁粉末由TOYO AlUMINIUM Co.，Ltd.生產(chǎn)，其純度是99.7％。
首先，用手動(dòng)混合器充分混合500克原料鋁粉末和500克氮化鋁粉末。該氮化鋁粉末由TOYO AlUMINIUM Co.，Ltd.生產(chǎn)，其平均粒徑是1.6微米。下表1顯示原料的混合比例。
表1
然后，將原料混合粉末儲(chǔ)存在反應(yīng)器盤(pán)17中。將反應(yīng)器盤(pán)17放置在耐熱性馬弗爐11的中心。在一段中獨(dú)立地使用反應(yīng)器盤(pán)17。注意，當(dāng)原料混合粉末儲(chǔ)存在反應(yīng)器盤(pán)17中時(shí)未被壓縮。
然后，開(kāi)啟氣體供應(yīng)裝置2的閥門22和排氣裝置4的閥門42，以便保持以10升/分鐘的流速將氮?dú)馑腿肽蜔嵝择R弗爐11。在耐熱性馬弗爐11內(nèi)的壓力保持為115-125kPa。因此，在耐熱性馬弗爐11內(nèi)，當(dāng)溫度升高到450℃時(shí)，露點(diǎn)是-50℃或更低。注意，用露點(diǎn)濕度計(jì)45來(lái)觀測(cè)露點(diǎn)，放置露點(diǎn)濕度計(jì)45來(lái)檢測(cè)排氣裝置4的管道41內(nèi)側(cè)。
在以10升/分鐘的流速將氮?dú)馑腿肽蜔嵝择R弗爐11的同時(shí)，開(kāi)啟氮化爐1的加熱器12，使耐熱性馬弗爐11內(nèi)的溫度以7℃/分鐘的升溫速率升高到460℃。然后，將該溫度保持30分鐘。
最后，將耐熱性馬弗爐11內(nèi)的溫度以5℃/分鐘的升溫速率升高到630℃，以便在下表2列出的工藝條件下進(jìn)行氮化反應(yīng)。
表2
下面將描述在耐熱性馬弗爐11內(nèi)以及工作物內(nèi)的氮?dú)夂蜌鍤獾牧魉?、電力供?yīng)、來(lái)自流速和電力供應(yīng)的溫度，以及在耐熱性馬弗爐11爐壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間的溫度差異。當(dāng)在耐熱性馬弗爐11內(nèi)的溫度達(dá)到630℃時(shí)，保持該溫度，開(kāi)啟氣體供應(yīng)裝置2的閥門26，將氬氣以3升/分鐘的流速送入耐熱性馬弗爐11。
在操作過(guò)程中，當(dāng)?shù)磻?yīng)速率慢時(shí)，關(guān)閉閥門26以便減少或停止供應(yīng)氬氣，并進(jìn)一步開(kāi)啟閥門22以使氮?dú)獾牧魉僭黾拥?3升/分鐘。由此進(jìn)行氮化反應(yīng)。注意，通過(guò)熱電偶52檢測(cè)的溫度和壓力表51檢測(cè)的耐熱性馬弗爐11內(nèi)的氣體壓力來(lái)觀察氮化反應(yīng)的速率。
然后，當(dāng)進(jìn)行氮化反應(yīng)時(shí)，開(kāi)啟閥門26，再次將氬氣以1.5升/分鐘的流速送入耐熱性馬弗爐11。
當(dāng)耐熱性馬弗爐11內(nèi)的氣體壓力恢復(fù)時(shí)，關(guān)閉閥門26，開(kāi)啟閥門22以使氮?dú)饬魉僭黾拥?5升/分鐘。在鋁粉末在該狀態(tài)下保持20分鐘后，沒(méi)有觀察到氣體壓力下降和升溫。由此，確認(rèn)氮化反應(yīng)終止。反應(yīng)時(shí)間準(zhǔn)確地是3小時(shí)。
注意，通過(guò)在氮化反應(yīng)過(guò)程中將加熱器12的電力供應(yīng)調(diào)節(jié)在36-50％范圍內(nèi)來(lái)控制反應(yīng)溫度。此外，耐熱性馬弗爐11爐壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間的溫度差異在20-30℃范圍內(nèi)。
最后，冷卻耐熱性馬弗爐11，收集反應(yīng)器盤(pán)17中的氮化鋁粉末。下表3列出了氮化反應(yīng)的反應(yīng)條件和氮化爐1的操作條件。由此制得實(shí)施例1的氮化鋁粉末。
表3
*“溫差”指耐熱性馬弗爐11的內(nèi)側(cè)溫度和外側(cè)溫度之間的差異
(評(píng)價(jià))實(shí)施例1的氮化鋁粉末的收集量是1260克。因?yàn)?00克氮化鋁粉末用作一部分原料，所以形成的氮化鋁量是760克。這說(shuō)明500克鋁粉末以100％氮化產(chǎn)率被氮化成氮化鋁粉末。
也就是說(shuō)，當(dāng)鋁(Al)與氮?dú)?N)反應(yīng)形成氮化鋁時(shí)，產(chǎn)物的重量在理論上是反應(yīng)物重量的1.52倍(即(27+4)/27＝1.52)。當(dāng)生產(chǎn)實(shí)施例1的氮化鋁粉末時(shí)，鋁粉末的加入量是500克。因此該加入量乘以1.52等于760克。
此外，當(dāng)分析實(shí)施例1的氮化鋁粉末時(shí)，發(fā)現(xiàn)氮含量是34.1％重量，氧含量是0.68％重量。所以，從重量分析的結(jié)果，也可以理解所制得的氮化鋁粉末的氮化產(chǎn)率基本上是100％。
當(dāng)檢測(cè)氮化鋁粉末的比表面積時(shí)，顯示該值高達(dá)3.1m2/g。下表4總結(jié)了實(shí)施例1的氮化鋁粉末的制備和分析結(jié)果。
表4
此外，用SEM給實(shí)施例1的氮化鋁粉末照相，圖2顯示所得的SEM相片。在這里，圖2(a)是放大率為6000倍的相片，圖2(b)是放大率為4000倍的相片。注意，圖2的SEM相片是在用研缽粉碎所制得的氮化鋁粉末之后拍攝的?？梢匀菀椎剡M(jìn)行粉碎。
如圖2所示，確定實(shí)施例1的氮化鋁粉末的粒徑基本上是1微米或更小。由此，可以理解實(shí)施例1的氮化鋁粉末是難以通過(guò)常規(guī)氮化鋁生產(chǎn)方法制備的細(xì)粉末。注意，在圖2中觀察到略粗的顆粒。略粗的顆粒是用作一部分原料的氮化鋁粉末。此外，在圖2中，看到大顆粒。大顆粒是初級(jí)顆粒聚集得到的二級(jí)顆粒?？梢匀菀椎赝ㄟ^(guò)進(jìn)行粉碎而將二級(jí)顆粒制成氮化鋁細(xì)粉末。
從上述應(yīng)該理解，實(shí)施例1的氮化鋁粉末以基本上100％氮化產(chǎn)率制得，并且含有粒徑為1微米或更小的氮化鋁細(xì)顆粒。
在實(shí)施例1中，進(jìn)一步確定粒徑為1微米或更小的氮化鋁初級(jí)顆粒是由平均粒徑為30微米的鋁粉末制得，且比表面積同時(shí)得到增加。已經(jīng)知道鋁至氮化鋁的反應(yīng)伴隨著16％的體積膨脹。由此，實(shí)施例1顯示，當(dāng)?shù)磻?yīng)在低溫下進(jìn)行時(shí)，即使不出現(xiàn)燒結(jié)，相鄰顆粒也會(huì)通過(guò)反應(yīng)得到的鋁的體積膨脹而彼此粘結(jié)。
實(shí)施例2作為實(shí)施例2，平均粒徑為30微米的高純度鋁粉末與碎鋁箔混合，并用氮化爐1氮化來(lái)生產(chǎn)氮化鋁粉末。鋁粉末由TOYO AlUMINIUM Co.，Ltd.生產(chǎn)，其純度是99.7％。
在實(shí)施例2中，通過(guò)包括碎鋁箔(其比平均粒徑為30微米的原料鋁粉末的顆粒更粗)，在要進(jìn)行氮化的原料鋁粉末顆粒之間形成大量空隙。因此，這是一個(gè)在這樣假定的基礎(chǔ)上進(jìn)行氮化反應(yīng)的例子，這個(gè)假定是當(dāng)?shù)磻?yīng)在存在大量空隙的環(huán)境中進(jìn)行時(shí)，這些空隙抑制顆粒彼此粘結(jié)，即使出現(xiàn)體積膨脹也是如此。
通過(guò)將鋁箔切細(xì)到20-30微米厚度來(lái)形成碎鋁箔。碎鋁箔的表觀比重是0.7-0.8，鋁純度是99.7％。注意，每個(gè)碎鋁箔都具有不同的形狀，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)切細(xì)鋁箔來(lái)形成碎鋁箔。
實(shí)施例2的氮化鋁粉末按照以下方式生產(chǎn)。首先，稱取表1列出的原料，并用手動(dòng)混合器充分混合。具體地說(shuō)，原料鋁粉末包含300克鋁粉末、200克碎鋁箔以及平均粒徑為1.6微米的500克氮化鋁粉末。
然后，將原料鋁粉末按照與實(shí)施例1相同的方式儲(chǔ)存在反應(yīng)器盤(pán)17中。在使用氮化爐1對(duì)原料鋁粉末進(jìn)行氮?dú)獍靥幚碇?，進(jìn)行氮化反應(yīng)。此外，在確認(rèn)氮化反應(yīng)引發(fā)時(shí)，開(kāi)始供應(yīng)氬氣。氮化爐1的操作條件列在表3中。
注意，在實(shí)施例2中，在將原料鋁粉末于640℃保持2小時(shí)后，將其于750℃保持1小時(shí)，這是因?yàn)樵谄渲邪ù值乃殇X箔。進(jìn)行附加的加熱以便完全氮化碎鋁箔。
此外，在實(shí)施例2中，使用計(jì)算裝置55自動(dòng)進(jìn)行加熱器12的電力供應(yīng)。另外，在實(shí)施例2中，當(dāng)在750℃進(jìn)行氮化反應(yīng)時(shí)，該反應(yīng)劇烈地進(jìn)行。因此，將氬氣以3升/分鐘的流速送入耐熱性馬弗爐11約15分鐘。表3列出了氮化反應(yīng)的反應(yīng)條件。
(評(píng)價(jià))在實(shí)施例2中，氮化鋁粉末的收集量是1260克，形成的氮化鋁粉末量是760克。表4總結(jié)了實(shí)施例2的氮化鋁粉末的制備和分析結(jié)果。注意，在收集的氮化鋁粉末中，沒(méi)有保留碎鋁箔的形狀。收集的氮化鋁粉末作為干碎狀態(tài)的粉末形成。
所以在實(shí)施例2的氮化鋁粉末中，形成的氮化鋁粉末占760克。重量變化表明500克鋁粉末以100％氮化產(chǎn)率被氮化。
在實(shí)施例2的氮化鋁粉末中，氮含量是34.0％重量，氧含量是0.73％重量。因?yàn)榈恐蹈哌_(dá)34.0％，所以發(fā)現(xiàn)在實(shí)施例2的氮化鋁粉末中，氮化產(chǎn)率基本上是100％。此外，檢測(cè)實(shí)施例2的氮化鋁粉末的粒徑，發(fā)現(xiàn)該粒徑是1微米或更小，這與實(shí)施例1的氮化鋁粉末相似。
此外，當(dāng)檢測(cè)氮化鋁粉末的比表面積時(shí)，顯示該值高達(dá)2.8m2/g。表4總結(jié)了實(shí)施例2的氮化鋁粉末的制備和分析結(jié)果。
從上述應(yīng)該理解，實(shí)施例2的氮化鋁粉末以基本上100％氮化產(chǎn)率制得，并且含有粒徑為1微米或更小的氮化鋁細(xì)顆粒。
實(shí)施例3作為實(shí)施例3，平均粒徑為30微米的高純度鋁粉末與碎鋁箔混合，并用氮化爐1氮化來(lái)生產(chǎn)氮化鋁粉末。鋁粉末由TOYO AlUMINIUM Co.，Ltd.生產(chǎn)，其純度是99.7％。
在實(shí)施例3中除了使用300克碎鋁箔、700克的平均粒徑為30微米的高純度鋁粉末以及將氮化反應(yīng)的反應(yīng)溫度設(shè)定為630℃之外，原料鋁粉末在與實(shí)施例2相同的條件下進(jìn)行氮化。
在實(shí)施例3中，由于要進(jìn)行氮化的鋁粉末的用量是實(shí)施例2中用量的兩倍，所以總的生熱量是實(shí)施例2中的兩倍。由此，實(shí)施例3的目的是通過(guò)擴(kuò)大的反應(yīng)熱使粗的碎鋁箔進(jìn)行氮化反應(yīng)。
表1-3列出了原料鋁粉末的組成以及氮化反應(yīng)的具體反應(yīng)條件。注意，在實(shí)施例3中，原料鋁粉末儲(chǔ)存在反應(yīng)器容器17中，在用氮化爐1使原料鋁粉末進(jìn)行氮?dú)獍靥幚碇筮M(jìn)行氮化反應(yīng)。此外，在確認(rèn)氮化反應(yīng)引發(fā)時(shí)，開(kāi)始供應(yīng)氬氣。氮化爐1的操作條件列在表2中。在實(shí)施例3中，氮化反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間是3小時(shí)30分鐘。
(評(píng)價(jià))在實(shí)施例3中，氮化鋁粉末的收集量是2010克，形成的氮化鋁粉末量是1510克。表4總結(jié)了實(shí)施例3的氮化鋁粉末的制備和分析結(jié)果。注意，在收集的氮化鋁粉末中，沒(méi)有保留鋁箔的形狀。碎鋁箔被轉(zhuǎn)化成氮化鋁顆粒。
所以在實(shí)施例3的氮化鋁粉末中，形成的氮化鋁粉末占1510克。重量變化表明1000克鋁粉末基本上以100％氮化產(chǎn)率被氮化。
在實(shí)施例3的氮化鋁粉末中，氮含量是33.7％重量，氧含量是0.85％重量。因?yàn)榈恐蹈哌_(dá)33.7％，所以發(fā)現(xiàn)在實(shí)施例3的氮化鋁粉末中，氮化產(chǎn)率基本上是100％。
此外，從X-射線衍射分析檢測(cè)的半寬值計(jì)算實(shí)施例3的氮化鋁粉末的微晶尺寸，該尺寸在兩個(gè)位置分別是1266埃和1103埃。表4總結(jié)了實(shí)施例3的氮化鋁粉末的分析結(jié)果。
從上述應(yīng)該理解，實(shí)施例3的氮化鋁粉末以基本上100％氮化產(chǎn)率制得，并且含有粒徑為1微米或更小的氮化鋁細(xì)顆粒。
實(shí)施例4作為實(shí)施例4，將平均粒徑為30微米的高純度鋁粉末儲(chǔ)存在分層為三段的反應(yīng)器盤(pán)的上段和下段中，并用氮化爐1氮化來(lái)生產(chǎn)氮化鋁粉末。鋁粉末由TOYO AlUMINIUM Co.，Ltd.生產(chǎn)，其純度是99.7％。
具體地說(shuō)，用手動(dòng)混合器將1000克原料鋁粉末與1000克自制氮化鋁粉末充分混合。注意，自制氮化鋁粉末按照以下方式生產(chǎn)。按照與實(shí)施例1相同的方式制備氮化鋁粉末。將所得的氮化鋁粉末粉碎，然后篩分到500目。
充分混合的原料混合粉末被分成各1000克的部分。每個(gè)部分儲(chǔ)存在獨(dú)立的反應(yīng)器盤(pán)中。在其中儲(chǔ)存了分開(kāi)的原料粉末的兩個(gè)反應(yīng)器盤(pán)用空盤(pán)分層。實(shí)施例4的目的是在這樣的假定基礎(chǔ)上進(jìn)行氮化，即氮化爐1的加熱器12能分別控制兩個(gè)反應(yīng)器盤(pán)的溫度，即分層的反應(yīng)器盤(pán)的上段和下段。
分層的反應(yīng)器盤(pán)放置在圖1所示的氮化爐1的耐熱性馬弗爐11中心。注意，在實(shí)施例4中，在用氮化爐1使原料混合粉末進(jìn)行氮?dú)獍靥幚碇筮M(jìn)行氮化反應(yīng)。此外，在確認(rèn)氮化反應(yīng)引發(fā)時(shí)，開(kāi)始供應(yīng)氬氣。氮化反應(yīng)的反應(yīng)條件列在表3中。
在實(shí)施例4的氮化反應(yīng)中，在過(guò)去4分鐘后，在耐熱性馬弗爐11中檢測(cè)到略微的壓力下降，例如從132.9kPa降至131.0kPa，這是因?yàn)檫_(dá)到了例如630℃的設(shè)定溫度。因此，電力供應(yīng)降低到30％。注意，以1.5升/分鐘的流速供應(yīng)氬氣。在這種情況下，僅僅在反應(yīng)器盤(pán)的下段觀察到生熱。因?yàn)殡娏?yīng)降低，所以反應(yīng)器盤(pán)上段的溫度降低到580-590℃的范圍內(nèi)。結(jié)果，開(kāi)始生產(chǎn)后1.5小時(shí)后，對(duì)加熱器12的電力供應(yīng)增加到60％。結(jié)果，當(dāng)反應(yīng)器盤(pán)上段中的原料混合粉末的溫度是640℃時(shí)，引發(fā)了氮化反應(yīng)。
通過(guò)熱電偶52檢測(cè)在耐熱性馬弗爐11底部的內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間的溫差，發(fā)現(xiàn)該溫差在5-80℃的范圍內(nèi)。在實(shí)施例4中，氮化反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間是3小時(shí)20分鐘。
(評(píng)價(jià))在實(shí)施例4中，氮化鋁粉末的收集量在反應(yīng)器盤(pán)上段中是1260克，在反應(yīng)器盤(pán)下段中是1260克，形成的氮化鋁粉末總量是1520克，即在反應(yīng)器盤(pán)上段中是760克，在反應(yīng)器盤(pán)下段中是760克。表4總結(jié)了實(shí)施例4的氮化鋁粉末的制備和分析結(jié)果。
所以在實(shí)施例4的氮化鋁粉末中，形成的氮化鋁粉末總共占1520克。重量變化表明1000克鋁粉末基本上以100％氮化產(chǎn)率被氮化。
根據(jù)對(duì)實(shí)施例4的氮化鋁粉末進(jìn)行重量分析的結(jié)果，氮含量是34.1％重量，氧含量是0.74％重量。因?yàn)榈恐蹈哌_(dá)34.1％，所以發(fā)現(xiàn)在實(shí)施例4的氮化鋁粉末中，氮化產(chǎn)率基本上是100％。
此外，從X-射線衍射分析檢測(cè)的半寬值計(jì)算實(shí)施例4的氮化鋁粉末的微晶尺寸，該尺寸在兩個(gè)位置分別是1224埃和1234埃。表4總結(jié)了實(shí)施例4的氮化鋁粉末的分析結(jié)果。
從上述應(yīng)該理解，實(shí)施例4的氮化鋁粉末以基本上100％氮化產(chǎn)率制得，并且含有粒徑為1微米或更小的氮化鋁細(xì)顆粒。此外，當(dāng)進(jìn)行氮化反應(yīng)時(shí)，發(fā)生的生熱在反應(yīng)器盤(pán)17的上段和下段之間偏移。因此，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)可以在同一爐內(nèi)出現(xiàn)氮化反應(yīng)的位移。在實(shí)施例4中，原料鋁粉末的總用量是1000克，即500克和500克之和，這相對(duì)容易吸收反應(yīng)熱。但是，假定在反應(yīng)器盤(pán)的各段中的原料鋁粉末的儲(chǔ)存量變大，如果氮化反應(yīng)可以在反應(yīng)器盤(pán)的各段中進(jìn)行位移則是非常有利的。例如，當(dāng)?shù)癄t的加熱器能分別控制反應(yīng)器盤(pán)的上段、中段和下段的溫度時(shí)，在各反應(yīng)器盤(pán)中出現(xiàn)的氮化反應(yīng)可能位移，使得可以在單個(gè)氮化爐內(nèi)放大原料鋁粉末的加工量。
實(shí)施例5以與實(shí)施例4相同的方式制備實(shí)施例5的氮化鋁粉末，不同的是鋁粉末還儲(chǔ)存在分層為三段的反應(yīng)器盤(pán)的中段中，并用氮化爐1氮化。
具體地說(shuō)，用手動(dòng)混合器將平均粒徑為30微米的1200克高純度鋁粉末與1800克自制氮化鋁粉末充分混合。鋁粉末由TOYO AlUMINIUMCo.，Ltd.生產(chǎn)，其純度是99.7％。注意，自制氮化鋁粉末按照以下方式生產(chǎn)。按照與實(shí)施例1相同的方式制備氮化鋁粉末。將所得的氮化鋁粉末粉碎，然后篩分到500目。
充分混合的原料混合粉末被分成各1000克的三部分。每個(gè)部分儲(chǔ)存在獨(dú)立的反應(yīng)器盤(pán)中。在其中儲(chǔ)存了分開(kāi)的原料混合粉末的三個(gè)反應(yīng)器盤(pán)被分層，并放入耐熱性馬弗爐11內(nèi)部。然后進(jìn)行氮化反應(yīng)。注意，具體條件列在表2和表3中。
在實(shí)施例5中，與實(shí)施例4相反，在反應(yīng)器盤(pán)的三段中的每段都有工作物，設(shè)定的反應(yīng)溫度提高約10℃。因此，在反應(yīng)器盤(pán)上段中的氮化反應(yīng)的引發(fā)被更長(zhǎng)地延遲，但是，在反應(yīng)器盤(pán)的所有三段內(nèi)儲(chǔ)存的工作物中出現(xiàn)生熱。在反應(yīng)器盤(pán)的三段內(nèi)產(chǎn)生的所有熱量通過(guò)反應(yīng)器盤(pán)以及放置反應(yīng)器盤(pán)的耐熱性馬弗爐11的爐壁被釋放到耐熱性馬弗爐11的外部。結(jié)果，在耐熱性馬弗爐11的爐壁內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間的溫差在60-90℃范圍內(nèi)保持1.5小時(shí)。具體地說(shuō)，在氮化爐1的耐熱性馬弗爐11內(nèi)的工作物的溫度在630-650℃范圍內(nèi)。另一方面，耐熱性馬弗爐11外側(cè)的溫度在550-590℃范圍內(nèi)。
在氮化反應(yīng)中，耐熱性馬弗爐11底部的內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間的溫差在5-90℃范圍內(nèi)。在實(shí)施例5中，氮化反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間是3小時(shí)40分鐘。
(評(píng)價(jià))在實(shí)施例5中，氮化鋁粉末的收集量在反應(yīng)器盤(pán)上段中是1210克，在反應(yīng)器盤(pán)中段中是1210克，在反應(yīng)器盤(pán)下段中是1210克。因此，氮化鋁粉末的收集總量是3630克。形成的氮化鋁粉末量在反應(yīng)器盤(pán)上段中是610克，在反應(yīng)器盤(pán)中段中是610克，在反應(yīng)器盤(pán)下段中是610克。結(jié)果，形成的氮化鋁粉末總量是1830克。在各反應(yīng)器盤(pán)上段、中段和下段中制得的氮化鋁粉末的氮化產(chǎn)率沒(méi)有區(qū)別。表4總結(jié)了實(shí)施例5的氮化鋁粉末的制備和分析結(jié)果。
所以在實(shí)施例5的氮化鋁粉末中，形成的氮化鋁粉末總共占1830克。重量變化表明1200克鋁粉末基本上以100％氮化產(chǎn)率被氮化。
根據(jù)對(duì)實(shí)施例5的氮化鋁粉末進(jìn)行重量分析的結(jié)果，氮含量是34.0％重量，氧含量是9.20％重量。因?yàn)榈恐蹈哌_(dá)34.0％，所以發(fā)現(xiàn)在實(shí)施例5的氮化鋁粉末中，氮化產(chǎn)率基本上是100％。
此外，從X-射線衍射分析檢測(cè)的半寬值計(jì)算實(shí)施例5的氮化鋁粉末的微晶尺寸，該尺寸在兩個(gè)位置分別是1665埃和1779埃。表4總結(jié)了實(shí)施例5的氮化鋁粉末的分析結(jié)果。
此外，用SEM給實(shí)施例5的氮化鋁粉末照相，圖3顯示所得的SEM相片。在這里，圖3(a)是放大率為2800倍的相片，圖3(b)是放大率為4000倍的相片。注意，圖3的SEM相片是在所制得的氮化鋁粉末用研缽粉碎之后拍攝的?？梢匀菀椎剡M(jìn)行粉碎。
如圖3所示，確定實(shí)施例5的氮化鋁粉末的粒徑基本上是1微米或更小。由此，可以理解實(shí)施例5的氮化鋁粉末是難以通過(guò)常規(guī)氮化鋁生產(chǎn)方法制備的細(xì)粉末。
從上述應(yīng)該理解，實(shí)施例5的氮化鋁粉末以基本上100％氮化產(chǎn)率制得，并且含有粒徑為1微米或更小的氮化鋁細(xì)顆粒。
實(shí)施例6作為實(shí)施例6，平均粒徑為30微米的高純度鋁粉末用氮化爐1氮化來(lái)生產(chǎn)氮化鋁粉末。鋁粉末是由TOYO AlUMINIUM Co.，Ltd.生產(chǎn)的“AHL2504”(商品名)，其純度是99.95％。
首先，用“V”型混合器充分混合1000克原料鋁粉末和1500克氮化鋁粉末。氮化鋁粉末是由TOYO AlUMINIUM Co.，Ltd.生產(chǎn)的“UF”(商品名)，其平均粒徑是1.6微米。表1顯示原料的混合比例。
然后，將原料混合粉末儲(chǔ)存在反應(yīng)器盤(pán)17中。將反應(yīng)器盤(pán)17放置在耐熱性馬弗爐11的中心。在一段中獨(dú)立地使用反應(yīng)器盤(pán)17。注意，當(dāng)原料混合粉末儲(chǔ)存在反應(yīng)器盤(pán)17中時(shí)未被壓縮。
然后，開(kāi)啟氣體供應(yīng)裝置2的閥門22和排氣裝置4的閥門42，以便保持以10升/分鐘的流速將氮?dú)馑腿肽蜔嵝择R弗爐11。在耐熱性馬弗爐11內(nèi)的壓力保持為120-150kPa。因此，在耐熱性馬弗爐11內(nèi)，當(dāng)溫度升高到450℃時(shí)，露點(diǎn)是-50℃或更低。注意，用露點(diǎn)濕度計(jì)45來(lái)觀測(cè)露點(diǎn)。
在以8升/分鐘的流速將氮?dú)馑腿肽蜔嵝择R弗爐11的同時(shí)，開(kāi)啟氮化爐1的加熱器12，使耐熱性馬弗爐11內(nèi)的溫度以7℃/分鐘的升溫速率升高到460℃。然后，將該溫度保持30分鐘。
最后，將耐熱性馬弗爐11內(nèi)的溫度以4℃/分鐘的升溫速率升高到670℃，在表2列出的工藝條件下進(jìn)行氮化反應(yīng)。
下面將描述在耐熱性馬弗爐11以及工作物內(nèi)的氮?dú)夂蜌鍤獾牧魉佟㈦娏?yīng)、來(lái)自流速和電力供應(yīng)的溫度，以及在耐熱性馬弗爐11爐壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間的溫度差異。當(dāng)在耐熱性馬弗爐11內(nèi)的溫度達(dá)到670℃且氮化反應(yīng)被引發(fā)時(shí)，或當(dāng)耐熱性馬弗爐11內(nèi)的壓力降低時(shí)，開(kāi)啟氣體供應(yīng)裝置2的閥門26，將氬氣以2-6升/分鐘的流速送入耐熱性馬弗爐11。
在操作過(guò)程中，當(dāng)?shù)磻?yīng)速率慢時(shí)，關(guān)閉閥門26以便減少或停止供應(yīng)氬氣，進(jìn)一步開(kāi)啟閥門22以使氮?dú)獾牧魉僭黾拥?2升/分鐘。由此進(jìn)行氮化反應(yīng)。
當(dāng)原料混合粉末在該狀態(tài)下保持30分鐘時(shí)，沒(méi)有觀察到氣體壓力降低和升溫。由此，本發(fā)明人確認(rèn)氮化反應(yīng)終止。反應(yīng)時(shí)間是約2小時(shí)。
注意，通過(guò)在氮化反應(yīng)過(guò)程中將加熱器12的電力供應(yīng)調(diào)節(jié)在10-55％范圍內(nèi)來(lái)控制反應(yīng)溫度。此外，通過(guò)空氣供應(yīng)裝置15將工業(yè)空氣送到耐熱性馬弗爐11的爐壁，使得爐壁的溫度保持在500-550℃范圍內(nèi)。從氮化反應(yīng)的引發(fā)到完成，工作物的的溫度在675-723℃范圍內(nèi)。另外，耐熱性馬弗爐11爐壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間的溫度差異在5-50℃范圍內(nèi)。
最后，冷卻耐熱性馬弗爐11，收集反應(yīng)器盤(pán)17中的氮化鋁粉末。由此制得實(shí)施例1的氮化鋁粉末。
(評(píng)價(jià))實(shí)施例6的氮化鋁粉末的收集量是3010克。因?yàn)?500克氮化鋁粉末用作一部分原料，所以形成的氮化鋁量是1510克。這說(shuō)明1000克鋁粉末基本上以100％氮化產(chǎn)率被氮化成氮化鋁粉末。
此外，當(dāng)分析實(shí)施例6的氮化鋁粉末時(shí)，發(fā)現(xiàn)氮含量是33.9％重量，氧含量是0.75％重量。所以，從重量分析的結(jié)果，也可以理解所制得的氮化鋁粉末的氮化產(chǎn)率基本上是100％。
另外，當(dāng)檢測(cè)氮化鋁粉末的比表面積時(shí)，顯示該值高達(dá)3.2m2/g。表4總結(jié)了實(shí)施例6的氮化鋁粉末的制備和分析結(jié)果。
從上述應(yīng)該理解，實(shí)施例6的氮化鋁粉末以基本上100％氮化產(chǎn)率制得，并且含有粒徑為1微米或更小的氮化鋁細(xì)顆粒。
實(shí)施例7作為實(shí)施例7，將平均粒徑為30微米的高純度鋁粉末儲(chǔ)存在分層為三段的反應(yīng)器盤(pán)的上段和下段中，并用氮化爐1氮化來(lái)生產(chǎn)氮化鋁粉末。鋁粉末是由TOYO AlUMINIUM Co.，Ltd.生產(chǎn)的“AHL 2504”(商品名)，其純度是99.95％。
具體地說(shuō)，用“V”型混合器將2000克原料鋁粉末與3000克自制氮化鋁粉末充分混合。注意，自制氮化鋁粉末按照以下方式生產(chǎn)。按照與實(shí)施例1相同的方式制備氮化鋁粉末。將所得的氮化鋁粉末粉碎，然后篩分到500目。
充分混合的原料混合粉末被分成各2500克的部分。每個(gè)部分儲(chǔ)存在獨(dú)立的反應(yīng)器盤(pán)中。在其中儲(chǔ)存了分開(kāi)的原料粉末的兩個(gè)反應(yīng)器盤(pán)用空盤(pán)分層。實(shí)施例7的目的是在這樣的假定基礎(chǔ)上進(jìn)行氮化，即氮化爐1的加熱器12能分別控制兩個(gè)反應(yīng)器盤(pán)的溫度，即分層的反應(yīng)器盤(pán)的上段和下段。
然后，在實(shí)施例7中，以與實(shí)施例6相同的方式對(duì)原料混合粉末進(jìn)行氮?dú)獍靥幚?，然后進(jìn)行氮化反應(yīng)。此外，在確認(rèn)氮化反應(yīng)引發(fā)時(shí)，開(kāi)始供應(yīng)氬氣。在實(shí)施例7中的氮化反應(yīng)的反應(yīng)條件列在表3中。
(評(píng)價(jià))在實(shí)施例7中，氮化鋁粉末的收集量是6020克。因?yàn)樽灾频X粉末用作3000克原料的一部分，所以形成的氮化鋁粉末的量是3020克，這表明2000克鋁粉末基本上以100％氮化產(chǎn)率被氮化來(lái)生產(chǎn)氮化鋁粉末。
此外，分析實(shí)施例7的氮化鋁粉末，發(fā)現(xiàn)氮含量是34.2％重量，氧含量是0.64％重量。所以從重量分析的結(jié)果也能理解所制得的氮化鋁粉末的氮化產(chǎn)率基本上是100％。
此外，檢測(cè)氮化鋁粉末的比表面積，該值顯示高達(dá)4.5m2/g。表4總結(jié)了實(shí)施例7的氮化鋁粉末的制備和分析結(jié)果。
從上述應(yīng)該理解，實(shí)施例7的氮化鋁粉末以基本上100％氮化產(chǎn)率制得，并且含有粒徑為1微米或更小的氮化鋁細(xì)顆粒。
根據(jù)實(shí)施例1-7，通過(guò)使用本發(fā)明生產(chǎn)氮化鋁的方法，可以在低溫下進(jìn)行氮化反應(yīng)并制備含有小粒徑的細(xì)顆粒的氮化鋁粉末。
此外，在本發(fā)明的實(shí)施例1-7中，氮化鋁粉末以基本上100％氮化產(chǎn)率制得。因此，當(dāng)如實(shí)施例1-7所述使用反應(yīng)器盤(pán)時(shí)，在產(chǎn)物中沒(méi)有雜質(zhì)。所以，可以通過(guò)使用如實(shí)施例1-7所述的反應(yīng)器盤(pán)來(lái)降低生產(chǎn)氮化鋁粉末的成本。
現(xiàn)在已經(jīng)全面描述了本發(fā)明，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然的是，在不偏離本發(fā)明和所附權(quán)利要求包括的精神或范圍的情況下可以進(jìn)行許多改變和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)氮化鋁的方法，包括以下步驟使鋁粉末保持在氮?dú)鈮毫?05-300kPa的氮?dú)鈿夥罩?，從而?00-1000℃的溫度下進(jìn)行氮化反應(yīng)，其中將一種用于控制氮化反應(yīng)進(jìn)程的反應(yīng)控制劑氣體送入裝有鋁粉末的反應(yīng)室中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)氮化鋁的方法，其中在使鋁粉末進(jìn)行氮?dú)獍靥幚碇筮M(jìn)行氮化反應(yīng)，在該處理中，使鋁粉末在450-600℃的氮?dú)鈿夥罩斜３?0-120分鐘以使氮?dú)獍卦阡X粉末中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)氮化鋁的方法，其中在將氮化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量釋放到反應(yīng)室外部的同時(shí)進(jìn)行氮化反應(yīng)，這種釋放通過(guò)反應(yīng)爐的爐壁、劃分反應(yīng)室、以及將工作物溫度與氮化反應(yīng)引發(fā)溫度之間的溫差控制為100℃或更低來(lái)進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)氮化鋁的方法，其中氮?dú)鈿夥胀ㄟ^(guò)一種從用于將氮?dú)膺B續(xù)送入反應(yīng)室的氮?dú)夤?yīng)裝置供應(yīng)的氮?dú)庖约耙环N從用于從反應(yīng)室排出氮?dú)獾呐艢庋b置排出的氮?dú)鈦?lái)保持。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)氮化鋁的方法，其中當(dāng)反應(yīng)室內(nèi)的氮?dú)鈮毫档蜁r(shí)將反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室中。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的生產(chǎn)氮化鋁的方法，其中當(dāng)工作物的溫度升高時(shí)將反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)氮化鋁的方法，其中反應(yīng)控制劑氣體是選自氬氣和氨氣中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)氮化鋁的方法，其中當(dāng)將反應(yīng)室內(nèi)的氣體量作為100％體積時(shí)，將1-50％體積比例的反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)氮化鋁的方法，其中在將鋁粉末加熱到預(yù)定反應(yīng)溫度后，需要2-10小時(shí)來(lái)完成氮化反應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的生產(chǎn)氮化鋁的方法，其中當(dāng)將鋁粉末加熱到預(yù)定溫度時(shí)開(kāi)始供應(yīng)反應(yīng)控制劑氣體，反應(yīng)控制劑氣體的供應(yīng)量逐步增加到能控制氮化反應(yīng)進(jìn)程的預(yù)定氣體分壓，在將預(yù)定氣體分壓保持預(yù)定時(shí)間之后，逐步降低反應(yīng)控制劑氣體的氣體分壓，并停止供應(yīng)反應(yīng)控制劑氣體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的生產(chǎn)氮化鋁的方法，其中在停止供應(yīng)反應(yīng)控制劑氣體之后進(jìn)一步將氮?dú)馑腿敕磻?yīng)室。
12.氮化鋁，經(jīng)過(guò)以下步驟使鋁粉末保持在氮?dú)鈮毫?05-300kPa的氮?dú)鈿夥罩?，從而?00-1000℃的溫度下進(jìn)行氮化反應(yīng)，其中將一種用于控制氮化反應(yīng)進(jìn)程的反應(yīng)控制劑氣體送入裝有鋁粉末的反應(yīng)室中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的氮化鋁，它是平均粒徑為1微米或更小且比表面積為2.5m2/g或更大的粉末。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的氮化鋁，其中在使鋁粉末進(jìn)行氮?dú)獍靥幚碇筮M(jìn)行氮化反應(yīng)，在該處理中，使鋁粉末在450-600℃的氮?dú)鈿夥罩斜３?0-120分鐘以使氮?dú)獍卦阡X粉末中。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的氮化鋁，其中在將氮化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量釋放到反應(yīng)室外部的同時(shí)進(jìn)行氮化反應(yīng)，這種釋放通過(guò)反應(yīng)爐的爐壁、劃分反應(yīng)室、以及將工作物溫度與氮化反應(yīng)引發(fā)溫度之間的溫差控制為100℃或更低來(lái)進(jìn)行。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的氮化鋁，其中氮?dú)鈿夥胀ㄟ^(guò)一種從用于將氮?dú)膺B續(xù)送入反應(yīng)室的氮?dú)夤?yīng)裝置供應(yīng)的氮?dú)庖约耙环N從用于從反應(yīng)室排出氮?dú)獾呐艢庋b置排出的氮?dú)鈦?lái)保持。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的氮化鋁，其中當(dāng)反應(yīng)室內(nèi)的氮?dú)鈮毫档蜁r(shí)將反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室中。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的氮化鋁，其中當(dāng)工作物的溫度升高時(shí)將反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室中。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的氮化鋁，其中反應(yīng)控制劑氣體是選自氬氣和氨氣中的至少一種。
20.根據(jù)權(quán)利要求12的氮化鋁，其中當(dāng)將反應(yīng)室內(nèi)的氣體量作為100％體積時(shí)，將1-50％體積比例的反應(yīng)控制劑氣體送入反應(yīng)室中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)氮化鋁的方法，包括以下步驟使鋁粉末保持在氮?dú)鈮毫?05－300kPa的氮?dú)鈿夥罩?，從而?00℃－1000℃的溫度下進(jìn)行氮化反應(yīng)，其中將一種用于控制氮化反應(yīng)進(jìn)程的反應(yīng)控制劑氣體送入裝有鋁粉末的反應(yīng)室中。在該生產(chǎn)方法中，在氮化反應(yīng)的過(guò)程中在氮?dú)鈿夥罩邪磻?yīng)控制劑氣體。因此，氮化反應(yīng)的進(jìn)程受到控制，使得有可能在低溫下進(jìn)行氮化反應(yīng)。結(jié)果，可以制備細(xì)粒徑的氮化鋁粉末。
文檔編號(hào)C01B21/00GK1548365SQ0312855
公開(kāi)日2004年11月24日 申請(qǐng)日期2003年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月9日
發(fā)明者三浦宏久, 松永博文, 田原務(wù), 文 申請(qǐng)人:株式會(huì)社茨木研究所