专利名称：用自蔓延合成超细氮化铝及氮化铝基复相陶瓷粉末的方法
技术领域：
本发明涉及一类通过自蔓延高温合成(self-propagating high-temperaturesynthesis，SHS)方法制备的超细AlN陶瓷粉体和AlN基复相陶瓷粉末。
背景技术：
自1967年前苏联学者A.G.Merzhanov和I.P.Borovinskaya发现SHS现象以来，SHS一直是材料科学与工程领域最活跃的研究方向之一。其基本的特点是利用外部提供必要的能量，诱发高放热化学反应体系局部发生化学反应(这个过程称为点燃)，形成化学反应前沿(即燃烧波)，此后化学反应在自身放出热量的支持下，继续前行，表现为燃烧波蔓延整个反应体系，最后合成材料。SHS合成工艺最突出的优点是节约能源、工艺简单、合成物纯度高等。所以迄今采用SHS工艺生产的产品已经发展到500种以上。但是这些产品主要靠固-固反应，而气-固体系的燃烧合成，反应在高压条件下由气相和固相反应进行，孔隙内的气体不足会影响反应进行完全，而且固相的融化会阻碍气体的渗入。其反应机制更为复杂，工艺难于控制。
氮化铝具有密度低、导热率高、介电常数低、电阻率高，与硅相匹配的热膨胀系数、抗热震性优良等性能，不仅被作为超大规模集成电路首选的基板和封装材料，并且随着其性能的不断提高，作为结构陶瓷也有着良好的应用前景。但是传统的制备AlN的方法需要在高温加热条件下进行，周期长、耗能高、粉末成本高、严重限制了AlN的推广应用。SHS合成氮化铝由于其耗能少，反应迅速、产品纯度高、成本低廉，是很有前途的低价制备技术。但是，由于一些基本的理论和技术问题还没有得到很好解决，目前燃烧合成AlN的工艺尚未得到大规模的应用。现我国、俄、美、日、韩等国正下大力研究解决AlN的SHS合成问题。
涉及燃烧合成超细AlN陶瓷粉体和AlN基复相陶瓷粉末的国际专利有YamadaOsamu申请的日本专利“通过燃烧合成制备BN、AlN和Si3N4”(JP2000264608)。但是此专利合成试样重量很小，用激光点燃，成本很高。台湾Yu Wen-Liang等申请的美国专利“氮化铝的制备方法”(US5846508)。此专利采用卤化铵作为氮源，合成试样重量很小，不能实现大尺寸乃至规模化生产。
发明内容
本发明通过控制反应温度和压力，并加入适当稀释剂，用SHS工艺合成完全的大尺寸AlN坯(φ120mm)，制备了超细AlN陶瓷粉体和AlN基复相陶瓷粉末。
对于AlN(氮化铝)粉体的制备原始反应物的成分配比为50-90wt％的Al粉和10-50wt％的AlN粉，wt％为重量百分比；素坯的密度为35-60％，氮气压力1-30MPa。
对于AlN/ZrN/Al3Zr复相陶瓷粉体，原始反应物粉末的成分配比为0-40wt％的AlN粉末，0-30wt％的ZrN粉末，10-85wt％的Al粉和30-70wt％的Zr粉，素坯的密度为35-50％，SHS反应的氮气压力为1--30MPa。
对于AlN/ZrN复相陶瓷粉体，原始反应物粉末的成分配比为70-80wt％的Zr粉和20-30wt％的AlN粉末，素坯的密度为35-50％，SHS反应的氮气压力为1--30MPa。
对于AlN-SiC固溶体的反应物的原始配比为Si和C为0-85atm％，Al为15-100atm％，atm％为原子百分比，氮气的压力为1--30MPa。
本法明的原理及优点简述如下
近期的研究表明，AlN由于其优越的机械性能，可以作为金属陶瓷和复相陶瓷的重要组成成分，在结构陶瓷材料有望得到广泛的应用。其工艺流程如下(1)粉末按指定配比配制，(2)球磨6小时，(3)粉末烘干，过100目筛和(4)将粉末装入燃烧室点燃。
由于金属铝的熔点较低，在燃烧过程中会发生熔融团聚，阻碍氮气的渗透，所以提高氮气压力，向Al粉中加入AlN稀释剂，降低素坯密度，以改善氮气的渗透性，是提高Al粉氮化程度的关键。同时试样尺寸对SHS AlN的燃烧过程有着重要影响，大尺寸试样在燃烧过程中出现明显的二次氮化峰，并且大尺寸试样本身不同部位的燃烧行为在不同素坯密度和氮气压力条件下表现出不同的特征。作为结构陶瓷，氮化铝具有机械强度不高的缺点。因此利用AlN陶瓷的优点，避开其缺点，在氮化铝的基础上，设计出多相复合材料，以取得性能的多重叠加优势。在Al-Zr-N系统中，AlN/ZrN复相陶瓷，综合了AlN和ZrN的优越的机械性能；同时在氮气压力较低条件下有Al3Zr相出现，而且Al3Zr相多分布在AlN和ZrN的晶界处，扮演了粘结相的角色，在SHS合成过程中实现了在气-固体系中很难实现的同步致密化。
作为一种重要的结构陶瓷材料，碳化硅具有高度的共价键结合特性，目前以碳化硅为基的陶瓷材料以其高硬度、耐磨性和化学稳定性而成为热机、高温环境和化学化工等领域的研究应用对象。α-SiC(2H)和AlN有相似的结构，而且在化合价和晶胞参数上有很大的相似性。两者相似的结构和高温性能意味着两者的复合材料对材料性能的改进有很大的帮助。SHS工艺开拓了低价制备高纯AlN-SiC固溶体的应用前景。
附图1为本发明SHS反应燃烧室结构示意图，图中点火丝1，反应物坯体2，测温的热电偶3，样品台4。
具体实施例方式例1SHS合成超细氮化铝粉体实验所用铝粉纯度大于99％，粒度为250-300目；AlN纯度为99.4％，粒度小于300目。反应物含量Al为80wt％，AlN为20wt％。为防止AlN水解，以丙酮为介质，在玛瑙罐中球磨6小时，在空气中烘干后，松装于燃烧室中，或用限位模压成一定的粉坯，粉坯和松装反应物的直径均为120mm。在7MPa的氮气压力下点燃，所制得的氮化铝氮化完全，其比表面为2-6m2/g，等效粒径为0.3-0.9μm。
例2SHS合成AlN/ZrN/Al3Zr复相陶瓷粉体原始反应物中Al和AlN粉末性能同例1。Zr粉纯度大于98％，粒度小于200目。
粉末的成分配比为31wt％的AlN粉末，15.8wt％的Al粉和53.2wt％的Zr粉，素坯的密度为45％，SHS反应的氮气压力5MPa，所得产物为AlN/ZrN/Al3Zr复相陶瓷粉体，粒径在2-5μm之间。
例3SHS合成AlN/ZrN复相陶瓷粉体原始反应物中Al和AlN粉末性能同例1。ZrN粉纯度大于98％，粒度小于300目。
粉末的成分配比为80wt％的Al粉和20wt％的ZrN粉，素坯的密度为45％，SHS反应的氮气压力5MPa，所得产物为AlN/ZrN复相陶瓷粉体，粒径在2-5μm之间。
例4SHS合成AlN-SiC固溶体原始反应物中Al和AlN粉末性能同例1。Si粉和C粉纯度大于98％，粒度小于200目。
AlN-SiC固溶体的反应物的原始配比为Si和C均为50atm％，Al为50atm％，氮气的压力为5MPa。所制得的AlN-SiC固溶体热压烧结后，性能为抗弯强度510MPa，HRA＝93，K1C＝6.21MPa·m1/2。
权利要求
1.一种自蔓延高温合成AlN粉体和AlN基复相陶瓷粉体的方法，其特征在于AlN粉体的合成，原始反应物的成分配比为50-90wt％的Al粉和10-50wt％的AlN粉；素坯的密度为35-60％，wt％为重量百分比，氮气压力1--30MPa。
2.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于对于AlN/ZrN/Al3Zr复相陶瓷粉体，原始反应物粉末的成分配比为0-40wt％的AlN粉末，0-30wt％的ZrN粉末，10-85wt％的Al粉和30-70wt％的Zr粉，素坯的密度为35-50％，SHS反应的氮气压力为1--30MPa。
3.一种如权利1的制备方法，其特征在于对于AlN/ZrN复相陶瓷粉体，原始反应物粉末的成分配比为70-80wt％的Zr粉和20-30wt％的AlN粉末，素坯的密度为35-50％，SHS反应的氮气压力为1--30MPa。
4.一种如权利1的制备方法，其特征在于对于AlN-SiC固溶体的反应物的原始配比为Si和C均为0-85atm％，Al为15-100atm％，atm％为原子百分比，氮气的压力为1--30MPa。
全文摘要
本发明提供了一种自蔓延高温合成超细AlN陶瓷粉体和AlN基复相陶瓷粉末。对于AlN粉体的制备原始反应物的成分配比为50－90wt％的Al粉和10－50wt％的AlN粉；素坯的密度为35－60％，氮气压力1－30MPa。对于AlN/ZrN/Al
文档编号C04B35/581GK1433999SQ0210019
公开日2003年8月6日 申请日期2002年1月22日 优先权日2002年1月22日
发明者葛昌纯, 陈克新, 李江涛 申请人:北京科技大学