[发明专利]一种钙辅助低温合成超细氮化铝粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温合成超细氮化铝粉体的方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

氮化铝陶瓷（AlN）具有高的热导率、与硅相匹配的线膨胀系数、低的介电常数、优良的电绝缘性能、耐腐蚀以及环保无毒等特点，已经替代氧化铝与氧化铍成为目前超大规模集成电路基板的首选材料，在现代电子与微电子等高新技术领域得到了广泛的应用。但由于氮化铝属于共价化合物，其自扩散系数小，导致难以烧结致密，即便在1900 ℃以上的高温下烧结也达不到理论密度的90%。

为在相对较低的温度下实现氮化铝陶瓷的致密烧结，除了添加合适的烧结助剂外，选用粒径细小甚至纳米级的氮化铝粉体，利用超细粉体的高表面能来促进氮化铝陶瓷的低温烧结也是主要的方法之一。Kuramoto等《Adv. Ceram., 1989, 26: 107-119》研究表明，在不添加烧结助剂的情况下，比表面积约为3 m²/g的氮化铝粉体即使是在烧结温度高于1900 ℃时也不能达到完全致密，而颗粒粒径约为110 nm（比表面积为16.6 m²/g）和粒径为80-100 nm（比表面积为40-50 m²/g）的氮化铝粉体在烧结温度为1700 ℃的情况下就基本上达到理论密度；Watari等《J. Ceram. Soc. Jpn., 1995, 103(9): 891-900》的研究表明，氮化铝陶瓷的烧结性能与原始粉体的比表面积成正比，即粉体的比表面积越大（粒径越小），烧结性能越好。

在超细氮化铝粉体的合成中，等离子化学合成法、化学气相合成法以及湿化学结合碳热还原法是目前最主要的制备方法。相对于前两种方法，湿化学结合碳热还原法技术比较成熟、工艺简便，适合于工业化生产。目前，通过湿化学方法，如溶胶-凝胶法、共沉淀法等，以溶液形式实现铝源和碳源在分子级水平的均匀混合，进而通过碳热还原法制备得到颗粒分布均匀、粒径细小的纳米氮化铝粉体已经得到了广泛研究。如中国专利CN 101973532 A公开了一种纳米氮化铝粉体的制备方法，先通过溶胶-凝胶低温燃烧工艺获得了分子级混合均匀的铝源和碳源，然后在1500～1600 ℃发生碳热还原反应获得粒径为30-90 nm的氮化铝粉体；Qin等《Mater. Res. Bull., 2008, 43: 2954-2960》以硝酸铝、葡萄糖和尿素为原料，采用硝酸盐-有机物低温燃烧工艺获得前驱体，再在1550 ℃氮化得到平均粒径为100 nm的氮化铝粉体；宋扬等《稀有金属材料与工程, 2005, 34(z1): 147-151》以异丙醇铝、蔗糖和尿素为原料，采用溶胶-凝胶工艺结合碳热还原法，在1500 ℃下氮化后得到粒径为23 nm、比表面积为70 m²/g的氮化铝粉体。

从目前国内外的报道来看，利用湿化学结合碳热还原法合成超细氮化铝粉体的氮化温度一般在1500～1550 ℃，这个温度虽然相比于传统固相法的氮化温度1600 ℃要低50～100 ℃，但仍属于较高的温度范畴。

发明内容

本发明的目的是提供一种钙辅助低温合成超细氮化铝粉体的方法，通过在湿化学法制备前驱体过程中引入钙助剂，利用钙助剂与氧化铝反应生成低共熔物，并以液相润湿作用增加原料中各物质分子的自扩散系数，从而在较低温度下合成超细氮化铝粉体。

本发明的钙辅助低温合成超细氮化铝粉体的方法，包括以下步骤：

(1) 将铝源溶解于溶剂中，形成0.5～2.0 mol/L的铝源溶液；

(2) 将钙源溶解于溶剂中，形成0.5～2.0 mol/L的钙源溶液；

(3) 按钙元素与铝元素的摩尔比为0.5：100～10：100，将上述溶液(1)与溶液(2)混合，形成铝源与钙源的混合溶液；

(4) 将柠檬酸溶解于乙二醇中，柠檬酸与乙二醇的摩尔比为1：4～1：8；

(5) 按柠檬酸与铝元素的摩尔比1：1～4：1，将上述溶液(3)与溶液(4)混合，并搅拌均匀；

(6) 将碳源溶解于溶剂中，形成0.5～2.0 mol/L的碳源溶液；

(7) 按碳元素与铝元素的摩尔比为2：1～10：1，将上述溶液(6)加入到溶液(5)中，混合搅拌均匀；然后升温到120～140 ℃保温2～4小时，继续升温到180～220 ℃保温2～4小时，得到蓬松的棕黑色物质；