水熱法制備納米AlN粉體的方法和其中間體及產品與流程

本發明涉及一種納米氮化鋁AlN粉體的制備方法，屬于材料科學技術領域。

背景技術：

氮化鋁是一種具有優良綜合性能的陶瓷材料，其高熱導率、低介電常數、優良的電絕緣性能、耐腐蝕以及與硅相匹配的線膨脹系數等特點，使它已經替代氧化鋁成為現今最理想的基板材料和電子器件封裝材料。氮化鋁是一種典型的共價化合物，其擴散系數小，加上表層氧化鋁膜的保護作用，導致很難在溫度低于1900℃條件下制備出致密的AlN陶瓷。雖然可以通過添加合適的燒結助劑，利用液相燒結來降低AlN陶瓷燒結溫度，但引入的第二相會對AlN陶瓷的熱導率產生負面影響。除了添加適量燒結助劑，粉體的原始粒度與顆粒尺寸分布也能顯著降低AlN陶瓷的燒結溫度外。采用粒徑細小的粉體為原料，將有助于縮短原子擴散距離、增加陶瓷燒結推動力，從而加速AlN陶瓷燒結的致密化過程。因此，粒徑細小、分散均勻的納米級AlN原料粉體能有效促進AlN陶瓷的燒結，同時避免引入第二相，不會對陶瓷的熱導率產生負面影響，具有廣闊的應用前景。

目前生產AlN粉體的主要方法是碳熱還原法和直接氮化法。與直接氮化法相比，碳熱還原法因為其原料豐富、工藝過程簡單，合成的粉體純度高、粒徑小且分布均勻等優點，在工業生產有著更廣泛的應用。目前，以微米級氧化鋁粉體為原料，通過碳熱還原法已經實現了高品質微米級AlN粉體的規模化生產。碳熱反應過程中，AlN的顆粒尺寸主要取決于氧化鋁的顆粒尺寸，如何得到納米級的AlN粉體是亟待解決的問題。

技術實現要素：

根據本申請的一個方面，提供了一種水熱法制備納米AlN(氮化鋁)粉體的方法，該方法條件溫和、能夠得到平均粒徑小于100nm且顆粒形貌優良的純相納米AlN粉體。

所述水熱法制備納米AlN粉體的方法，其特征在于，采用水熱處理將鋁源、碳源和沉淀劑制備得到前驅體，前驅體經煅燒及后處理制備得到所述納米AlN粉體。

優選地，所述前驅體具有包覆結構，所述包覆結構是指含鋁元素的核心被碳包覆。所述含鋁元素的核心通過被含碳元素的包覆物包覆的方式得以高度分散(納米尺度)，并有效避免了煅燒及后處理過程中的燒結問題。本申請技術方案得到的納米AlN粉體粒徑小于100nm且粒徑分布集中。

進一步優選地，所述鋁元素的核心的直徑范圍為30nm～60nm。

優選地，所述水熱處理溫度為180～220℃，水熱處理時間為6～24小時。進一步優選地，所述水熱處理時間為8～20小時。更進一步優選地，所述水熱處理時間為10～14小時。作為一個具體的實施方式，所述水熱處理時間為12小時。

優選地，所述鋁源為硝酸鋁、氯化鋁、異丙醇鋁、硫酸鋁、醋酸鋁中至少一種。

進一步優選所述鋁源為硝酸鋁、氯化鋁、異丙醇鋁中至少一種。

優選地，所述碳源為可溶性的單糖或雙糖

更進一步優選地，所述碳源為葡萄糖、蔗糖、果糖，乳糖中至少一種。

優選地，所述沉淀劑為尿素或氨水。

優選地，所述原料中鋁源、碳源和沉淀劑的摩爾比Al：C：沉淀劑＝1：3～6：2～4。

優選地，所述后處理為在600～800℃的空氣氣氛中保溫2～4小時。

進一步優選地，所述后處理為在650～750℃的空氣氣氛中保溫2～4小時。

優選地，所述方法至少包括以下步驟：

a)將鋁源、碳源和沉淀劑溶解于溶劑，形成鋁源濃度為0.5～3.0mol/L的初始混合物I；

b)將步驟a)得到的初始混合物I轉入水熱釜中，在180～220℃溫度下水熱處理6～24小時，得到前驅體；

c)將步驟b)得到的前驅體與氮氣氣氛下、1300～1600℃煅燒2～5小時，得到粉體I；

d)將步驟c)得到的粉體I在600～800℃的空氣氣氛中保溫2～4小時，得到所述納米AlN粉體。

進一步優選地，所述步驟a)中，鋁源、碳源和沉淀劑的摩爾比Al：C：沉淀劑＝1：3～6：2～4。本申請中，所述鋁源、碳源和沉淀劑的摩爾比，是指鋁源中鋁原子的摩爾數、碳源中碳原子的摩爾數和沉淀劑分子的摩爾數之比。

優選地，所述步驟a)為先將鋁源溶解于溶劑，形成鋁源濃度為0.5～3.0mol/L的溶液I，再將碳源加入溶液I中，得到溶液II，再將沉淀劑加入溶液II中，得到初始混合物I。

優選地，所述步驟b)為將步驟a)得到的初始混合物I轉入水熱釜中，在180～220℃溫度下水熱處理10～14小時，經過抽濾及干燥后，得到前驅體。

進一步優選地，所述步驟c)為將步驟b)得到的前驅體在氮氣氣氛下、1300～1600℃煅燒2～4小時，得到粉體I。

作為一個優選的實施方式，所述方法至少包括以下步驟：

a1)將鋁源溶解于溶劑，形成鋁源濃度為0.5～3.0mol/L的溶液I；

a2)將碳源加入步驟a1)得到的溶液I中，得到溶液II；

a3)將沉淀劑加入步驟a1)得到的溶液II中，得到初始混合物I；

b)將步驟a3)得到的初始混合物I轉入水熱釜中，在180～220℃溫度下水熱處理6～24小時，得到前驅體；

c)將步驟b)得到的前驅體與氮氣氣氛下、1300～1600℃煅燒2～5小時，得到粉體I；

d)將步驟c)得到的粉體I在600～800℃的空氣氣氛中保溫2～4小時，得到所述納米AlN粉體。

根據本申請的又一個方面，提供了一種包覆結構材料，為上述任一方法制備得到的所述前驅體，該包覆結構材料通過水熱法制備得到，用于制備納米AlN粉體，可獲得粒徑小于100nm且顆粒形貌優良的純相納米AlN粉體。所述包覆結構材料包括含鋁元素的核心和碳包覆，所述核心的直徑范圍為30nm～60nm。

根據本申請的又一個方面，提供了一種納米AlN粉體，由上述任一方法制備得到和/或上述包覆結構材料作為前驅體制備得到，其特征在于，所述納米AlN粉體為純相AlN粉體，所述納米AlN粉體平均粒徑小于100nm。

本申請能產生的有益效果包括：

1)本申請所提供的方法，合成條件溫和、原料廣泛易得、工藝簡單，制備了純度高、粒徑分布范圍窄、燒結活性好的納米AlN粉體。

2)本申請所提供的納米AlN粉體，具有平均粒徑小于100nm，燒結活性好的優勢。

3)本申請所提供的包覆結構材料，能有效降低制備AlN粉體的反應溫度及阻止氧化鋁晶粒長大，制得粒徑分布范圍窄、燒結活性好的納米AlN粉體。

附圖說明

圖1為本申請一種實施方式制備得到的前驅體的透射電鏡照片。

圖2為本申請制備得到的納米AlN粉體粉末X射線衍射譜圖。

圖3為本申請一種實施方式制備得到的納米AlN粉體掃描電鏡照片。

圖4為本申請一種實施方式制備得到的納米AlN粉體掃描電鏡照片。

具體實施方式

下面結合實施例詳述本申請，但本申請并不局限于這些實施例。

如無特別說明，本申請的實施例中的原料均通過商業途徑購買。

本申請的實施例中分析方法如下：

利用FEI公司的Tecnai G2F20型TEM進行前驅體表征分析。

利用Rigaku公司的Miniflex600型X射線衍生儀進行XRD表征分析。

利用Hitachi公司的SU8010型掃描電鏡獲得掃描電鏡圖。

實施例1

首先稱取0.1mol硝酸鋁溶解于100ml去離子水中，再將0.2mol的尿素以及0.05mol的蔗糖加入上述溶液，攪拌混合均勻后，將溶液移入水熱釜中。將水熱釜升溫到200℃保溫12h，冷卻到室溫后取出。水熱溶液的沉淀物經過抽濾，干燥后，得到棕色的前驅體，透射電鏡圖表明其微結構為包覆結構，見圖1，圖中箭頭所指為含鋁元素的核心。將上述棕色前驅體研磨后裝入石墨坩堝，在流動氮氣氣氛中高溫管式爐中，以5℃/min～10℃/min的升溫速度升至1500℃保溫3h得到黑色的粉體，將上述黑色粉體置于馬弗爐中，以5℃/min的升溫速度到700℃保溫2h進行除碳即得灰白色粉體。X射線衍射檢測結果表明粉體產物為純AlN相(見圖2)，掃描電鏡圖表明其平均粒徑約80nm，其中粒徑分布在60nm-100nm內占80％以上(見圖3)。

實施例2～5

操作同實施例1，原料及反應參數見表1。實施例2～5得到的產物的X射線衍射檢測結果同實施例1一致(見圖2)，掃描電鏡圖表明其粒徑為納米級且粒徑分布范圍窄。其中實施例2得到的掃描電鏡圖見圖4。

表1

對比例1

原料、反應參數及操作同實施例1，只是沒有水熱處理得到前驅體的過程，將溶液升溫到100℃保溫12h，冷卻到室溫后得到的前驅體直接抽濾干燥后煅燒及后處理，得到的粉體平均粒徑大于300nm，且粒徑分布范圍寬。

以上所述，僅是本申請的幾個實施例，并非對本申請做任何形式的限制，雖然本申請以較佳實施例揭示如上，然而并非用以限制本申請，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本申請技術方案的范圍內，利用上述揭示的技術內容做出些許的變動或修飾均等同于等效實施案例，均屬于技術方案范圍內。