本發(fā)明涉及一種氮化物材料，具體地說涉及一種高純氮化鋁粉體及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，要求整機(jī)朝著微型化、輕型化、高集成度、高可靠性方向發(fā)展。同時(shí)器件愈來愈復(fù)雜，又將導(dǎo)致基片尺寸增大和集成度提高，使得基片功率耗散增加，因此，基片的散熱以及材料的選擇便成為重要的課題。AlN陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)比Al₂O₃陶瓷高8～10倍，體積電阻率、擊穿場強(qiáng)、介電損耗等電氣性能可與Al₂O₃陶瓷媲美，且介電常數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)接近硅，可進(jìn)行多層布線，被視為新一代很有發(fā)展前途的優(yōu)良絕緣散熱基片材料。

目前，氮化鋁粉體的主要制備方法有：氧化鋁粉碳熱還原法、鋁粉直接氮化法和自蔓延高溫合成法。用碳熱還原法制備氮化鋁粉末時(shí)，影響反應(yīng)的因素很多。例如碳源的選擇，鋁源的選擇，碳鋁摩爾比的確定等，同時(shí)碳熱還原法合成溫度高，合成時(shí)間長，從而使制備成本較高。燃燒合成法，又稱自蔓延高溫合成法，產(chǎn)物純度相對較高，但是它需要在較高的氮?dú)鈮毫ο逻M(jìn)行，該方法對設(shè)備要求較高，且單次產(chǎn)量低，鋁粉原料需經(jīng)長時(shí)間預(yù)處理。相比之下，鋁粉直接氮化法具有工藝簡單和成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但該方法存在氮化率低問題，由于鋁粉在氮化反應(yīng)中放出大量熱，超過660℃就開始熔化并結(jié)塊，同時(shí)在鋁粉顆粒表面生成氮化膜從而阻止氮化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。此外，袁志剛等人的發(fā)明專利“用微細(xì)金屬鋁粉生產(chǎn)高純氮化鋁粉的方法”(專利號(hào)：ZL201310554267.0)，采用鋁含量在99.99％以上的高溫鋁液為熱源，將高純微細(xì)金屬鋁粉和純度在99.9999％以上的氮?dú)饣旌象w加熱到1400℃以上，鋁粉與氮?dú)夥磻?yīng)生成高純的氮化鋁粉，而且高溫鋁液產(chǎn)生的鋁蒸汽也與氮?dú)夥磻?yīng)生成高純氮化鋁粉，生成的氮化鋁粉被流動(dòng)氮?dú)鈹y帶進(jìn)行降溫冷卻和收集。該方法對反應(yīng)設(shè)備要求較為苛刻，工藝復(fù)雜，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種高純氮化鋁粉體及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)制備的氮化鋁粉純度較低和工藝復(fù)雜的問題。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明提供一種高純氮化鋁粉體，該粉體AlN含量≥95.2wt％，N含量≥32.5wt％(純度為100wt％的AlN中理論N含量是34.15％)，粒徑為1-5μm，其粒徑可通過改變一次燒結(jié)產(chǎn)物的粒徑大小來調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明提供了一種高純氮化鋁粉體，該粉體AlN含量≥99.9wt％，N含量≥34.11wt％。

進(jìn)一步地，本發(fā)明提供了一種高純氮化鋁粉體，該粉體的純度滿足99.9wt％≥AlN含量≥95.2wt％，34.11wt％≥N含量≥32.5wt％。

本發(fā)明還提供了一種高純氮化鋁粉體的制備方法，包括以下步驟：

a、稱取Al粉和反應(yīng)添加劑A，其中A為AlN粉末，稱取AlN粉末的總質(zhì)量是所稱取Al粉總質(zhì)量的2％-20％；

b、將步驟a中稱取的原料充分混合，并裝入鉬坩堝中；

c、將鉬坩堝放入燒結(jié)爐中，抽真空至20KPa，在流通的N₂和H₂混合氣氛條件下，以3～5℃/min的速率升溫至500～800℃，并保溫2～6h，然后以3-7℃/min的速率降溫至300℃，自然冷卻至室溫，得到一次燒結(jié)產(chǎn)物，將產(chǎn)物經(jīng)粉碎后待用；

d、在步驟c所得產(chǎn)物中加入反應(yīng)助熔劑B，其中B為NH₄HCO₃和AlCl₃的混合物，且兩者質(zhì)量比為NH₄HCO₃∶AlCl₃＝1∶2，B的加入量滿足質(zhì)量比A∶B＝2∶1～4∶1；

e、將步驟d中的物料充分混合后放入真空箱式爐中，抽真空至20KPa，在流通的N₂和H₂混合氣氛條件下，以5～10℃/min的速率升溫至800～1100℃，通入NH₃，并保溫6～9h，然后以3-7℃/min的速率降溫至300℃，自然冷卻至室溫，得到二次燒結(jié)產(chǎn)物，將產(chǎn)物粉碎和分級后得到高純氮化鋁粉體。

步驟a中Al粉的純度為99.99wt％，顆粒形貌為球形，粒徑為10～50μm。

步驟a中AlN粉末添加劑的純度為99.99wt％，顆粒形貌為球形，粒徑為1-3μm。

步驟c和e中N₂和H₂的體積比為1∶1，流量控制在1-2L/min。

步驟e中NH₃的流量控制在0.5-1L/min。

步驟a-d中物料的稱量、混合和粉碎均在氮?dú)馐痔紫渲羞M(jìn)行。

本發(fā)明制備的所述氮化鋁粉體具有純度高，粒度均勻的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明有效解決了傳統(tǒng)直接氮化法產(chǎn)品純度不高的問題，且其所提供的制備方法工藝簡單，單次產(chǎn)量相對較高，適合工業(yè)化生產(chǎn)。通過加入添加劑可有效避免引入雜質(zhì)，并顯著提高氮化率，防止鋁粉自燒結(jié)，同時(shí)添加劑氮化鋁粉的加入量較少，降低了原料成本，提高了單批產(chǎn)量。通過添加特殊反應(yīng)助熔劑，并配合使用添加劑以及二次燒結(jié)法，能有效的破壞Al表面的AlN薄膜，促進(jìn)氮化反應(yīng)的進(jìn)行，改善直接氮化法的產(chǎn)品顆粒團(tuán)聚，不均勻的缺點(diǎn)。

本發(fā)明在兩次燒結(jié)中通過控制特定的燒結(jié)氣氛、流量、升溫速率、保溫時(shí)間等條件，使得能在較低成本下得到純度高、粒徑均勻可控、批次穩(wěn)定的氮化鋁粉體材料。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的AlN的SEM圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的AlN的XRD圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

在手套箱中稱取50g純度為99.99wt％，顆粒形貌為球形，粒徑為20μm的金屬Al粉，再稱取5g純度為99.99wt％，顆粒形貌為球形，粒徑為2μm的反應(yīng)添加劑AlN粉末(添加劑A)，充分混合20分鐘后裝入鉬坩堝中。將混合好的物料裝入燒結(jié)爐中，對其進(jìn)行抽真空至20KPa，通入體積比為1:1氮?dú)浠旌蠚?，流量控制?.5L/min，然后以5℃/min的速率升溫至600℃，保溫時(shí)間4h。之后以5℃/min的速率降溫至300℃，自然冷卻至室溫，得到一次燒結(jié)產(chǎn)物，然后將其在手套箱中球磨粉碎后至3μm左右待用。

在待用物料中添加反應(yīng)助熔劑B(NH₄HCO₃和AlCl₃的混合物，質(zhì)量比為1:2)1.67g，充分混合20分鐘后裝入真空箱式爐中，通入體積比為1:1氮?dú)浠旌蠚?，流量控制?.5L/min，以升溫速率10℃/min升溫至900℃，并通入反應(yīng)氣氛NH₃，流量控制在0.8L/min，保溫7h，然后以5℃/min的速率降溫至300℃，自然冷卻至室溫，得到二次燒結(jié)產(chǎn)物，將二次燒結(jié)產(chǎn)物粉碎和分級后得到高純氮化鋁粉體，對其進(jìn)行表征，如圖1和圖2所示。

對比例1、2，實(shí)施例2-10

參照實(shí)施例1的制備方法，改變添加劑A和助熔劑B的添加量，其他工藝條件均與實(shí)施例1相同，對制得的氮化鋁粉體進(jìn)行N含量、顆粒均勻性的測試，所得結(jié)果如表1所示。

表1

由表1可知，在其它工藝條件不變的情況下，隨著一次燒結(jié)中的添加劑AlN粉添加量的增多，氮化率會(huì)先升高后降低，在添加量為Al粉的10％時(shí)氮化率最好；二次燒結(jié)中助熔劑NH₄HCO₃、AlCl₃直接影響了顆粒形貌；由對比例1和對比例2的結(jié)果可以看出，添加劑AlN粉和助熔劑的配合使用，有效的改善了傳統(tǒng)直接氮化法的產(chǎn)品純度和顆粒形貌，添加劑AlN粉與助熔劑的質(zhì)量比為3:1時(shí)效果最佳，顯著改善了最后產(chǎn)品的氮化率。

實(shí)施例11-17

參照實(shí)施例1的制備方法，改變待用的一次燒結(jié)產(chǎn)物的粒徑，助熔劑B中NH₄HCO₃和AlCl₃的比例，其他工藝條件均同實(shí)施例1，對制得的氮化鋁粉體進(jìn)行N含量、顆粒形貌的測試，所得結(jié)果如表2所示。

表2

由表2可知，一次燒結(jié)產(chǎn)物的粒徑大小直接影響產(chǎn)品的粒徑，且產(chǎn)品粒徑可根據(jù)需要通過改變一次燒結(jié)產(chǎn)物的粒徑大小來調(diào)節(jié)。助熔劑B中NH₄HCO₃與AlCl₃的質(zhì)量比對產(chǎn)品粒徑和均勻性均有較大影響，其最佳比例為1:2。

實(shí)施例18-34

參照實(shí)施例1的制備方法，改變一次燒結(jié)條件、二次燒結(jié)條件，其他工藝條件均同實(shí)施例1，對制得的氮化鋁粉體進(jìn)行N含量、顆粒形貌的測試，所得結(jié)果見表3所示。

表3

由表3可知，通過改變一次燒結(jié)和二次燒結(jié)的溫度和保溫時(shí)間可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，氮化率是先升高后降低的趨勢，顆粒均勻性先變好后逐漸變差，顆粒團(tuán)聚、顆粒粒徑變大；隨著保溫時(shí)間的延長，氮化率略有改善，顆粒粒徑變大；當(dāng)一次燒結(jié)溫度為600℃，保溫時(shí)間為4h，二次燒結(jié)溫度為900℃，保溫時(shí)間為7h時(shí)氮化率最高，顆粒均勻性最好。