【氮化铝粉末制备方法研究的文献综述3500字】

–PAGE28–氮化铝粉末制备方法研究的文献综述1.1碳热还原法碳热还原法以氮化铝粉末和高纯度的碳粉（过量）为原料，经过球磨混合后，在流动氮气气氛条件下于1500℃-2000℃利用碳粉还原氧化铝，然后被还原出的Al与氮气发生氮化反应生成氮化铝。反应方程式如式（2-1）：Al2O3(s)+3C(s)+N2(g)→2AlN(s)+3CO(g)（2-1）作为被广泛应用于工业化生产氮化铝的技术，用碳热还原法制备的具有粒度小、纯度高、分布均匀、烧结性能优良等优点，此外该法所需原料具有简单易得，成本较低等优点。虽然该工艺过程简单，但其对原料的性能要求高，由于氧化铝和碳粉难以均匀混合，故导致了反应温度高、间隔时间长等问题，而且还需要在后期进行二次脱碳，这使得该工艺变得十分繁琐。因此氧化铝和碳粉的性质会影响氮化过程，A.M.Chu等人[11]采用一系列可溶性铝盐、葡萄糖、硝酸和尿素制备得到混合溶液，通过溶胶—凝胶法获得了高活性的和碳粉前驱体，因此在1500-1550℃下进行高温氮化处理后，可以获得了均匀分布的微米级粉末。1.2直接氮化法金属铝的直接氮化方法是指在900-1300℃下，金属铝粉在氮气或氨气连续流动的条件下直接反应，生成氮化铝团块或粉末的方法。反应过程如式（2-2）：（2-2）该技术作为另一种工业化和最早应用于制备氮化铝粉末的技术，由于其具有流程简单、无后期脱碳和整个工艺过程中成本低等优点，已被广泛用于工业生产。然而，由于铝粉氮化反应是放热的，在整个反应过程中会产生大量的热量，而氮化温度（>800℃）高于铝粉的熔点温度（600℃），易在氮化过程中熔化铝粉使其熔融，阻止氮气深入扩散，导致氮化不完全，生成伴有单质铝或氧化铝杂质的氮化产物[12]。为了尽量地减少反应产物的结块，而合成细粒度、高纯度的氮化铝粉体，QluY等人[13]利用金属AL在流动氨气中的氮化反应制备了ALN粉末。其中，氨气在AL颗粒表面会分解为活性氮(N)和氢(H)自由基，然后N与AL反应生成ALN，H促进氨气的分解，为NH3的解离提供了足够的能量，从而实现液态铝颗粒在流动NH3中的氮化反应，得到性能较为优越的粉末。诸多研究者也有通过采用添加催化剂的方法促进氮化反应的有效进行。1.3自蔓延烧结法自蔓延高温合成(，又称燃烧合成)是一种新的材料制备技术，它利用化学变化本身放出的热量来提供能量，因此在一定条件下反应能够自发进行，最终合成设想的材料或产品[14,15]。这种方法是通过外加热源将铝粉在高压的氮气氛围中点燃，而铝粉氮化过程会放出大量热量，通过自加热自传导的方法合成氮化铝。反应方程式如式（2-3）：2Al(s)+N2(g)→2AlN(s)（2-3）自蔓延烧结法制备氮化铝需要的原料要求较低，具有仪器简单、操作简单等优点。当金属铝粉在高压氮气氛围下被点燃后，通过金属铝粉的氮化反应放出的大量反应热维持反应的继续，直到金属铝粉完全生成为氮化铝。但这种方法的反应速度太快，导致难以控制调节，反应生成的氮化铝具有不规则的形态，高浓度缺陷和非平衡结构在单晶粒内容易产生，而且粉末的纯度很低，颗粒很容易出现较大的空间团聚现象[3]。因此，用这种方法得到的粉末会对烧结生成的氮化铝基板的机械强度和热传导产生影响，另外也不利与对单晶生长的氮化铝粉末进行提纯。为解决自蔓延烧结法粉体氮化不完全问题，Zakorzhevskii等人[17]采用了一种基于薄膜中铝燃烧的新方法，并提出了在燃烧区形成亚微米氮化铝颗粒的机理。Hiranaka等人[16]通过不断改变铝粉的粒度和氮气压力，利用材料反应接触面大且燃烧剧烈的特点来提高整个金属铝粉氮化的反应温度，因此有效地提高了氮化铝产物的氮化率，结果表明制备高纯度氮化铝的最佳铝粉粒度和氮气压力值分别为3纳米和0.10Mpa。Rosenband等人[18]以钛、铝、镍为原料，前期制备出镍铝、钛铝混合物以及镍铝和钛铝金属间化合物，再通过在氮气中直接自蔓延燃烧合成了金属间化合物的配合氮化物(氮化铝)。实验表明，在复杂的金属间氮化物的直接一阶段SHS合成过程中，氮化程度最高。目前，利用该方法制备氮化铝粉末还处于实验探索阶段，虽然有些企业已经开始工业化生产，但如何控制高氮压下氮化反应的速度和温度，如何在固定的工艺参数下保反应后得到纯度高、粒径均匀规整的粉末，尚需研究人员进一步探索和优化[19]。1.4化学气相沉积法化学气相沉积（CVD）可以是一种用于在气相条件下，采用金属铝的挥发性化合物和氨或氮之间的化学变化，从气体部分沉积氮化铝粉末的制备方法[20]。根据挥发性Al的供应来源，该工艺将被分为无机和有机两种。其中，无机化学沉积最通常使用的是氯化铝，而有机沉积法最通常使用的是烷基铝[21]。反应方程如式（2-4）、（2-5）：AlCl3(g)+NH3(g)→AlN(s)+3HCl(g)（2-4）Al(C3H5)3(g)+NH3(g)→AlN(s)+3C2H6(g)（2-5）前者为无机铝源的反应，通过蒸发氯化铝使其与氨气在700℃-1200℃下充分混合反应转化为AlN。然而，从反应方程式中可以看出，一旦采用无机金属铝作为原料，HCI反应副产品会随着反应进行而产生，对反应容器产生负面的影响。一旦采用有机铝源（烷基铝）而不是无机铝，不仅反应的温度会降低，而且不会产生HCI副产物，因此可以制备出纯度高、粒度均匀的AlN粉末。Kubo等人[22]成功地合成了AlN粉末，其比表面积为95～175m2/g、初始粒径为10～20nm，反应条件为：在1050℃将烷基铝蒸汽与氨气进行反应。虽然通过化学气相沉积法制备氮化铝有望实现氮化铝的连续化，此外生成的产品具有高纯度，细粒度和粒度均匀等优良特点，但是采用无机铝作为原料会生成氯化氢等具有腐蚀性的气体，而采用有机铝（烷基铝）作为原料则会导致制备成本较高，并且该工艺对设备要求较高，且生产效率低，因此难以在大规模的工业化生产中推广。1.5等离子化学合成法等离子化学合成法是使用直流电弧等离子发生器或高频等离子发生器，将铝粉高速送入等离子体火焰区。铝粉在设定的高温等离子体火焰区（>10000℃）内立即熔化和汽化，产生金属蒸气，从而与氮离子迅速反应，生成AlN纳米粒子[23-25]。Li等人[26]使用电弧等离子体技术，在常压下将N2转化为等离子体电荷，之后通过与作为放电电极的铝线反应，获得了微米与纳米两种粒径的AlN颗粒，而在实验中增加N2流量以及加入H2都有助于AlN的合成[3]。Kim等人[27]利用射频感应热等离子体技术，将铝粉熔化、气化、离子化且将氩气电离为高温等离子体，之后使两种等离子体反应得到AlN微粒子，用淬火的方法抑制晶粒生长，最终合成了多态的超细AlN颗粒，粒径为20～60nm、比表面积为56.9m2/g[3]。1.6其他制备工艺除了以上五种常见的AIN制备工艺外，还有其他制备方法，但是相较于以上几种，应用生产规模不不大。溶胶-凝胶方法是涉及三烷基铝盐和溶解在有机溶剂中的氨的反应，以提供烷基铝冷胺中间体，然后从有机溶剂中分离，在一定温度下加热干燥，制成高纯度氮化铝粉末[24]。这种方法的优点是制备方法简单，氮化温度低，转化率高，可以生产出纯度高、无杂质相的氮化铝粉末，但由于原材料的高价格和低产量，它并不适合工业化大批量生产。高能球磨是沿利用球磨所产生的机械活化作用，在温度或低于标准反应所需温度的情况下，刺激固液反应和气固反应，制备性能优异的金属或复合材料[28]。当前制备氮化铝粉末主要利用高能球磨直接合成氮化铝和高能球磨活化合成氮化铝。高能球磨法主要是通过球磨不断细化原料粉体，形成大量的晶格畸变，促进后续反应的进行。但是普通高能球磨机只有单一的机械能输入，从而导致所需的研磨反应时间较长，而且活化程度有限，因此应用程度不高[29]。参考文献蓝键，马思琪，李邑柯，尹荔松.氮化铝粉末制备与应用研究进展[J/OL].陶瓷学报，2021(01)：44-53.杨清华，李宏伟，王焕平，马红萍，雷若姗，徐时清.Y2O3和纳米AlN协同作用对氮化铝陶瓷烧结性能及热传导的影响[J].材料研究学报，2013，27(04)：342-348.蒋周青，刘玉柱，薛丽青，刘荣辉，刘元红，李楠.氮化铝粉体制备技术的研究进展[J].半导体技术，2019，44(08)：577-582+589.SaitoG，SendaT，AbeK，etal.SynthesisofAlNparticlesviadirectnitridationinadroptubefurnace[J].Journal-CeramicSocietyJapan，2019，127(11)：810-817.姜珩.氮化铝粉末的制备研究[D].北京有色金属研究总院，2012.ZhangL，LuJ，KuwashiroS，etal.FabricationandevaluationofaluminumnitridebasedMEMSpiezoelectricvibrationsensorsforlarge-amplitudevibrationapplications[J].MicrosystemTechnologies，2020：1-8.ChenG，CassellaC，QianZ，etal.Lithographicallydefinedaluminumnitridecross-sectionalLamémoderesonators[J].JournalofMicromechanicsandMicroengineering，2017，27(3)：034003.WeiZ，XieW，GeB，etal.Enhancedthermalconductivityofepoxycompositesbyconstructingaluminumnitridehoneycombreinforcements[J].CompositesScienceandTechnology，2020：108304.ZhengJ，HeS，WangJ，etal.PerformanceofSiliconeRubberCompositesFilledwithAluminumNitrideandAluminaTri-Hydrate[J].Materials，2020，13(11)：2489.MfA，KvB，MvB，etal.Aluminumnitrideasanalternativeceramicforfabricationofmicrochannelheatexchangers：Anumericalstudy-ScienceDirect[J].CeramicsInternational，2020，46(8)：11647-11657.ChuA，QinM，Rafi-ud-din，etal.EffectofAluminumSourceontheSynthesisofAlNPowdersFromCombustionSynthesisPrecursors[J].MaterialsResearchBulletin，2012，47(9)：2475–2479.裴新美，戴英，南策文.Al粉氮化制备超细AlN粉[J].硅酸盐通报，2001(04)：49-51.KimJK，JungWS.Nitridationofδ-Aluminatoaluminumnitrideunderaflowofammoniaanditsmechanism[J].Journal-CeramicSocietyJapan，2011，119(1389)：351-354.陈淑文.AlN粉体的合成与烧结机制研究[D].浙江工业大学，2015.陈克新，葛昌纯，曹文斌，李江涛.自蔓延高温合成(SHS)氮化铝反应机制的研究[J].无机材料学报，1998(03)：340-344.HiranakaA，YiX，SaitoG，etal.EffectsofAlparticlesizeandnitrogenpressureonAlNcombustionsynthesis[J].CeramicsInternational，2017：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