基于碳化铝制备氮化铝陶瓷粉体

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随着电子产品朝着轻型化,高度集成化,热电损耗低,稳定性高且能适应各种工作环境的方向发展,以氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体逐渐成为工业上研究与应用的热点。作为第三代半导体材料,氮化铝(AlN)产品热导率高达100260W/(m·K),室温电阻率大于1014Ω·cm,绝缘耐压为15k V/mm。因此AlN以其高热导率、优异的绝缘性、介电常数高、线膨胀系数小以及稳定性较好而吸引了广大科研工作者的关注,在基体材料、电子封装材料、薄膜材料以及结构材料等领域应用广泛。但是目前工业上制备AlN粉体的方法普遍存在着粉体纯度不高、粒径分布不均匀和成本高等问题。而且在烧结过程中容易引入杂质,且烧结致密度不高,导致获得的AlN陶瓷性能达不到预期要求。本文研究了AlN粉体的新型制备工艺,共探讨了各工艺参数对实验结果的影响。本文以Al4C3作为中间体,通过与NH3反应来制备AlN粉体。在制备中间体粉末Al4C3过程中。我们以微米级的Al粉与石墨粉为原料,取一定量的Al粉与C粉真空球磨8h进行充分混匀,置于电炉中在氩气气氛的保护下加热至一定温度下反应3h。文中通过添加不同石墨含量并在不同温度条件下反应,通过对实验结果进行分析表征,发现石墨含量的增加有助于促进Al4C3的生成,同时温度的升高也有助于增加C在熔融Al中的溶解度,也可有效促进Al4C3的生成。在Al4C3与NH3反应来制备AlN粉体过程中,文章系统研究了温度、水分与气流量对实验结果的影响。实验结果表明温度的升高有助于提高NH3的扩散速度与固相反应速度,因此升高温度有助于AlN的生成。而从实验结果并结合热力学分析表明实验条件中存在水分的情况下,Al4C3更容易与水反应生成Al2O3,因此为了制备出高纯AlN粉体,必须对实验中的NH3进行充分干燥处理。氨气气流量主要是通过自身的分解与影响反应区的温度来影响实验结果。当气流量较低时,大部分氨气发生了分解,没有没有足够的处于激活态的NH3分子与Al4C3发生反应,造成反应不能充分进行;而当氨气气流量过大时,处于或者低于室温的氨气会带走中心反应区大部分热量,导致中心反应区温度降低,影响氨气的扩散速度与反应速率。
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