氮化铝的制备方法

专利名称：氮化铝的制备方法
技术领域：
本发明关于一种氮化铝的制备方法。
背景技术：
氮化铝由于具有优越的热传导性，良好的电绝缘性，低热膨胀率，良好的抗热震性与良好的抗侵蚀性，近年来，已成为工业上极为重要的材料。它在许多高科技的工业上极具应用潜力，例如可作为集成电路封装材料及高热传导复合材料使用，也可应用于电子基板、 高功率LED晶片载板、电子元件散热体或耐高温容器的制作。目前现有氮化铝的制备方法通常分为气相反应法、有机金属前驱物法、氧化铝粉碳素还原氮化法、金属铝直接氮化法及燃烧合成法等。以现有气相反应法而言，反应式如式(1)所示，其主要是于900K至1500K的温度进行操作5小时以上，以反应生成结晶形及非晶形的氮化铝(AlN)粉体。AlCl3(g)+4NH3(g) — AlN(s)+3NH4Cl(g). · · (1)然而，该气相反应法所需反应时间需达5小时以上，且一般产物的转化率仅约为 80 %，生产成本高且产率小，不适合工业生产。以现有有机金属前驱物法而言，反应式如式(2) (5)所示，其是于400K至1000K 的温度下进行操作，所需反应时间为10至240分钟，反应当中，烷基(R)会裂解产生碳，必须再将产物置于空气中加热除碳，此一步骤可能导致氧含量增加。R3Al ⑴+NH3(1) — R3AINH3G)................(2)R3AlNH3⑴一R2AlNH2 w+RH(g)............(3)R2AlNH2w — RAlNH ⑴+RH(g).............(4)RAINHG) — A1N(S)+RH(g)...................(5)此外，此方法也有步骤繁复、耗能源、成本高、产率低的问题，而不适合工业生产。以现有氧化铝粉碳素还原氮化法而言，反应式如式(6)所示。其是将氧化铝粉及碳粉均勻混合，并于1500K至2200K的温度环境下进行反应以获得氮化铝产物，所需反应时间也需5小时以上。Al2O3 (s) +N2 (s) +3C (S) — 2A1N (s) +3C0 (g) · · · (6)然而，该现有氧化铝粉碳素还原氮化法仍需于高温下反应五小时至数十小时，因此具有耗时耗能的缺点；再且，为了使还原氮化反应完全，必须加入过量的碳粉进行反应， 而添加过量的碳粉将会需要再进一步利用高温去除残碳，因此需要消耗更多的热能；再且， 以高温氧化方式除碳过程中，又可能造成氮化铝粉的氧含量提升，而造成氮化铝的热传导率大幅降低，而造成氮化铝粉的品质下降。以现有金属铝直接氮化法而言，反应式如式(7)所示。其于1000K至1500K的温度环境下进行操作，所需反应时间5小时以上。2A1 (s) +N2 (s) -* 2A1N (S)................(7)然而，该金属铝直接氮化法也需在高温下进行五小时至数十小时的操作方能完成
4反应，因而也有耗时、耗能的问题。此外，该现有金属铝直接氮化法在高温反应过程中，铝粉会因为高温融聚，而形成块状的铝，造成氮气无法渗入该块状铝内，使得反应无法进行。因此必须在反应过程中，暂停反应，于冷却后将铝粉及产生融聚的块状铝取出研磨，再形成颗粒状的铝粉，再放入高温炉中反应，如此重复数次，才能使氮气与铝粉充分接触，而达到高的转化率。如此，造成该金属铝直接氮化法具有制程繁琐的缺点；再且，该多次研磨的程序也将引入杂质，使得该现有金属铝直接氮化法除了耗时及耗能的外，尚有步骤繁琐、纯度无法提高以及杂质含量高的缺点。前述现有气相反应法、有机金属前驱物法、氧化铝粉碳素还原氮化法及金属铝直接氮化法主要具有反应时间过长的缺点，而下述的燃烧合成法由于反应时间相对较短，因此可克服前述该些现有氮化铝的制备方法所造成时间成本较高的缺点。以现有燃烧合成法而言，其反应式也如式(7)所示。以下针对各个现有燃烧合成法的相关技术简述如下(a)在日本特许公开公报昭第63-274605号专利申请案，是将铝、氮化铝与其他化合物[例如碳酸钙(CaCO3)、硝酸钙(Ca(NO3)2),氧化钇(Y2O3)、碳酸钡(BaCO3)、硝酸钡 (Ba(NO3)2)、硝酸钇(Y(NO3)3)、氧化铺(CeO2)或含水草酸钇(Y2 (C2O4)2- SH2O)]以适当比例混合后，压成适当形状，再将其置于50个大气压的氮气中，使用电热片加热以点燃反应，而合成氮化铝(AlN)粉体。然而，该日本特许公开公报昭第63-274605号专利申请案以50个大气压的高压进行反应，所使用的高压将大幅提升制程危险性；再且，其也需使用可对应产生高压环境的设备进行反应，将造成整体设备及操作成本的增加。(b)在日本特许公开公报昭第64-76906号专利申请案中，是将铝与氮化铝粉末以适当比例混合后，盛装于多孔耐火容器中，再将此整体置于液态氮中，使用电热线点燃反应，而合成氮化铝粉体。然而，该日本特许公开公报昭第64-76906号专利申请案所使用的液态氮的温度甚低，其也将增加设备与操作的成本及操作上的复杂性与危险性。(c)在日本特许公开公报昭第64-76905号专利申请案中，是将铝与含氮的固态化合物[如叠氮化钠(NaN3)、叠氮化钾(KN3)或叠氮化钡(Ba3N2)等]的粉体以适当比例混合后置于耐火容器中，混合后的粉体上方设置有引燃剂，再将该混合后的粉体及引燃剂置于电热炉中，并于压力小于lOkg/cm2的氮气环境下进行反应。反应开始前先开启电热炉加热反应物，再使用电热线加热以点燃引燃剂，而后点燃合成氮化铝的燃烧合成反应，而合成氮化铝粉体。(d)在中国台湾公告第M7897号专利，及美国第5，460，794号专利中，两案是使用铝粉与固态含氮化合物为原料，二者的混合粉末经模压成型后，以引燃剂完全包覆，置于充满氮气的密闭容器中，加热点燃引燃剂，而产生燃烧合成反应形成氮化铝粉体。(e)在中国台湾公告第226987号专利，及美国专利第5，453，407号，两案中是使用铝粉与固态含氮化合物为原料，并添加卤化铵盐类，再将此三者的混合粉末模压成型后，以引燃剂完全包覆，置于充满氮气的密闭容器中，加热点燃引燃剂，合成反应随的被点燃而合成氮化铝粉体。前述日本特许公开公报昭第64-76905号、中国台湾第M7897号专利及中国台湾第226987号专利虽可降低该日本特许公开公报昭第63-274605号及第64-76906号专利中的设备操作危险性，然而，为使反应能以自行传播的燃烧方式进行，此固态含氮化合物必须为易于热分解的化合物，使得该固态含氮化合物经热分解后所产生的氮气能可与铝粉进行反应。然而，该固态含氮化合物经热分解后所产生的氮气可能造成高压或是氮气选出而造成使反应无法进行的问题。(f)在中国台湾第86103021号专利申请案，及美国专利第5，846，508号，皆是使用铝粉与卤化铵盐类为原料，二者的混合粉末模压成型，或置于一具开口或多孔的耐高温容器内，再置于充满氮气的密闭容器中，经加热点燃反应，而生成氮化铝粉体。(g)在中国台湾第86117545号专利申请案，是使用铝粉与含NHx或卤素且在铝熔点以下可分解或气化的化合物为原料，以适当比例混合后置于一具开口或多孔的耐高温容器内，或模压成适当形状再将的置于充满氮气的密闭容器中，加热点燃反应后，合成氮化铝粉体。前述中国台湾第86103021号及第86117545号专利申请案通过于铝粉中添加卤化铵盐或于铝熔点以下可分解的含NHx或卤素的化合物可在低氮压下获得高的产率，虽可避免前述日本特许公开公报昭第64-76905号、中国台湾第M7897号专利及中国台湾第 226987号专利因添加固态含氮化合物而造成高压的缺点，但是于反应过程中会产生氯化氢 (HCl)、氨(NH3)、氯化铵(NH4Cl)、氯(Cl2)或碳(C)等副产物，会增加后续处理的繁琐性与操作成本。(h)美国公告第5649278号专利中，是使用铝粉为反应物，并加入20wt%至80wt% (以铝粉与氮化铝粉的总重量为基准)的氮化铝粉为稀释剂，两者混合后所形成的粉体混合物置于石墨坩埚或氧化物陶瓷等耐高温容器中，并使此粉体混合物的密度介于0. 5 1. 5g/cm3之间，再将的置于充满氮气的反应器中，在0. 75 30大气压(atm)的氮气压力下， 加热点燃燃烧合成反应，而生成氮化铝粉体。然而，该美国公告第5649278号专利中虽可防止铝粉融聚，维持氮气流通，而获得较高的转化率，并避免如中国台湾第86103021号及第86117545号专利申请案需对副产物进一步去除的缺点，但是制程中须有先将铝粉与氮化铝混合均勻的步骤，且稀释剂的含量须高达30wt%以上，才能得到较高的转化率，此举也增加了制程的繁复性与操作成本，且降低了每单位重量的进料量所能合成的氮化铝的产能。此外，该粉体混合物的密度须介于 0. 5g/cm3与1. 5g/cm3之间，对堆积密度高于1. 5g/cm3或低于0. 5g/cm3的铝粉与氮化铝粉并不适用，此一情形也限制了原料的选择范围。(i)中国台湾公告第466212号发明专利及美国第US6，482，384B1号专利中，是一种氮化铝粉体的合成方法。其是将铝粉置于一具开口的耐高温容器中，若铝粉的堆积密度小于0. 8g/cm3时，便将此耐高温容器置于充满氮气的密闭室中，若铝粉的堆积密度大于 0. 8g/cm3时，先在铝粉中以直立方式置放多孔铝管，或于铝粉顶面置放起始剂，或同时于铝粉中置放多孔铝管并于铝粉顶面置放起始剂，再将此耐高温容器置于充满氮气的密闭室中。之后，在该耐高温容器的底端输入氮气，并于该耐高温容器的顶端加热引燃该起始剂， 使铝粉与氮气发生燃烧合成反应而生成氮化铝粉体。然而，该中国台湾第466212号发明专利及美国第US6，482，384B1号专利中，当铝粉堆积密度较大时(> 0.8g/cm3)，操作则较为复杂，且两者情形下的转化率最高仅为99%，仍有进步改进的空间。(j)中国台湾公告第1230685号发明专利，是关于一种氮化铝的合成方法与装置，乃利用一耐高压反应器，将铝粉与各种可以合成氮化铝的化合物，如稀释剂、添加剂及铝箔团等化合物混合以共同组成反应物，置入一具有两端开口的铝制容器内再将此容器置于耐高压反应器内，从容器底部通入氮气并于耐高压反应器内填充氮气，以进行燃烧合成反应。如此，可反应获得高纯度的氮化铝产物，且该1230685号专利案将各种用以合成氮化铝的各式反应物，在不同压力、不同组成、不同堆积密度与各种控制条件下进行燃烧合成反应，以获得高纯度的氮化铝产物，以适用于各种堆叠密度的反应物，可避免该中国台湾第 466212号发明专利操作复杂的缺点。然而，该第1230685号专利中，由于该法须于原料铝粉中加入稀释剂、添加剂或铝箔团等化合物方可反应获得氮化铝产物，使得该稀释剂、添加剂或铝箔团的添加可能导致氮化铝产物污染的问题，且其转化率最高为99%，技术也仍有改进的空间。(k)中国台湾第1246997号发明专利，是先将原料铝粉经由水煮或是置放于高温高湿度的环境下，以对该铝粉表面进行改质，使铝粉表面形成一层氧化物或氢氧化物的陶瓷层，以使反应物在燃烧合成反应过程中不会产生融聚现象，而能维持多孔状，再通入氮气以产生氮化反应而生成氮化铝产物。如此，可避免该中国台湾公告第1230685号专利因添加稀释剂、添加剂及铝箔团而造成氮化铝产物污染的问题。然而，该第IM6997号专利由于在燃烧合成反应的前需先对该铝粉表面进行冗长且复杂的改质处理，将造成耗时耗能的缺点。(1)中国台湾第1315^6号发明专利，是一种经由铝粉表面改质制备氮化铝的方法，其系先进行一盛装步骤，将含铝粉体置入一盛装容器中；接着进行一氮气通入步骤，将该装有含铝粉体的盛装容器置放于氮气环境中；再进行一加热步骤，对该盛装容器中的含铝粉体进行加热直至该含铝粉体产生燃烧合成反应，并于燃烧合成反应开始后通入含氧气体，透过该含氧气体于该含铝粉体的表面产生氧化物或氢氧化物层的陶瓷层，以防止含铝粉体因高温产生熔融现象；最后再进行一氮气回充步骤，停止供应含氧气体，并通入氮气， 使氮气流经该含铝粉体，以使该含铝粉体进行燃烧合成反应而形成氮化铝。如此，可克服该第IM6997号专利需于燃烧合成反应进行前先对该铝粉表面进行改质处理而造成制程冗长的缺点。然而，该第1315296号专利中，于发生燃烧合成反应开始后，必须先通入该含氧气体，以于该含铝粉体的表面反应形成该陶瓷层后，再通入氮气以形成氮化铝，方可达到提高转化率的效果，因而造成制程程序较为复杂及耗时的缺点。此外，由于该些含铝粉体的堆叠密度并不均勻，所通入的含氧气体经常无法均勻流经该些含铝粉体的表面，且该些含铝粉体的各处温度不尽相同，造成该些含铝粉体表面反应较不均勻，因此造成该第1315^6号专利容易有铝粉表面所形成的陶瓷层不均勻的问题，使得其避免该些含铝粉体产生融聚现象的效果不佳，仅可于少量含铝粉体进行反应时方可达高转化率，且高转化率的再现性不佳。基于上述原因，其有必要进一步改良上述现有氮化铝的制备方法。 发明内容
本发明目的乃改良上述缺点，以提供一种氮化铝的制备方法，以均勻地于铝粉表面反应形成耐高温的陶瓷层为目的。本发明次一目的是提供一种氮化铝的制备方法，以提升避免铝粉产生融聚现象的效果。根据本发明的氮化铝的制备方法，包含一反应物调配步骤将铝粉及一表面改质剂均勻混合形成一反应物，并将该反应物置放于一容器中；及一加热燃烧步骤使该容器中的反应物暴露于一含氮气体中，并加热至660°C以上的温度使该反应物燃烧，于加热过程中，该表面改质剂与该铝粉产生表面改质反应，以于该铝粉的表面形成一陶瓷层，且该铝粉因燃烧而与该含氮气体进行燃烧合成反应而形成氮化铝。本发明的有益技术效果在于通过上述各实施例可明确验证本发明的氮化铝的制备方法，通过使该表面改质剂与该铝粉均勻混合，确实可于该铝粉表面均勻形成该耐高温的陶瓷层，进而提升避免铝粉间产生融聚现象的效果，使该铝粉之间可保有空隙供气体充分流经该铝粉的表面，而与该铝粉充分进行反应，提升氮化铝的转化率。


图1 本发明氮化铝的制备方法的流程图。图2 本发明铝粉与表面改质剂暴露于含氮气体下的示意图。图3 本发明铝粉表面形成陶瓷层的示意图。图4 本发明熔融态的铝包覆于陶瓷层内的示意图。图5 本发明陶瓷层因高温破裂的示意图。图6 本发明氮化铝产物的示意图。图7 本发明氮化铝的制备方法所制得的氮化铝粉体的XRD图。图8 本发明氮化铝的制备方法所制得的氮化铝粉体的SEM图。主要元件符号说明1铝粉 1’熔融态的铝 2表面改质剂 3含氮气体4陶瓷层5氮化铝
具体实施例方式为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下本发明所提供的氮化铝的制备方法，包含一反应物调配步骤Sl以调配出一反应物，及一加热燃烧步骤S2使该反应物暴露于一含氮气体中，使该含氮气体与该反应物充分接触，并对该反应物进行加热，以产生燃烧合成反应形成氮化铝产物。(这里“含氮气体”是指化学式中含“N”原子的气体，而不是含“氮气”的气体。)本发明的反应物调配步骤Sl及加热燃烧步骤S2分别详述如下反应物调配步骤Si:请参照图1所示，本发明的氮化铝的制备方法的反应物调配步骤Sl是将铝粉及一表面改质剂均勻混合形成该反应物，并将该反应物置放于一容器中。更详言之，该铝粉可选择为各种形状的含铝粉体，例如片状、球状或碎屑状的铝粉，且其含铝量较佳高于50wt%，且平均粒径选择为0. 01 200 μ m，以作为反应原料。该表面改质剂是指能于后续的加热燃烧步骤S2中可直接与该铝粉反应生成陶瓷层的化合物，或在铝熔点660°C以下的温度产生分解或气化生成活性物质[例如H2O或O2]，而间接与该铝粉反应生成陶瓷层的化合物。该表面改质剂可选择由水(H20)、氢氧化铝(A1(0H)3)、硝酸铝(Al (NO3)3)、氢氧化镁 (Mg(OH)2)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、氢氧化钡(Ba(OH)2)及前述各项的任意组合所组成的群组。其中，该表面改质剂以重量百分比计占该反应物总重的0. 1 30%，且较佳占该反应物总重的1 5%，若该表面改质剂于该反应物中的含量低于0. 1%，则该表面改质剂的含量过少，而无法均勻的于该铝粉表面形成该陶瓷层；若该表面改质剂于该反应物中的含量高于30%，则可能因过高的表面改质剂含量而造成该陶瓷层的厚度过厚而阻碍该铝粉与该含氮气体的反应，而使反应不完全。该反应物调配步骤Sl是将该铝粉与该表面改质剂均勻混合后作为该反应物，以使该铝粉的颗粒之间分布有该表面改质剂，再将该反应物置放于该容器中，本发明所使用的设备主要是与如中国台湾公告第IM6997所述相同，该容器可选择为以石墨、氮化铝 (AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)或碳化钨(WC)等材质制成，本实施例选择以石墨坩锅作为该容器，且该容器上较佳设有数个穿孔，且该穿孔的径向截面积的总和较佳占该容器总表面积的1 50% (以下简称为容器穿孔率)，以提升该含氮气体与该反应物的接触，进而提升整体反应转化率。加热燃烧步骤S2 请参照图1所示，本发明的氮化铝的制备方法的加热燃烧步骤S2是使该容器内的反应物暴露于该含氮气体中，并对该反应物加热至660°C以上的温度使该反应物燃烧，于加热过程中，该表面改质剂直接或间接与该铝粉产生表面改质反应，以于该铝粉的表面形成一陶瓷层，且该铝粉因燃烧而与该含氮气体进行燃烧发生合成反应而形成氮化铝。更详言之，该含氮气体可选择由氮气、氨气、空气及前述各项的任意组合所组成的群组，用以提供生成氮化铝所需的氮原子。本发明选择将该盛装有反应物的容器置放于一真空耐压反应器中，抽真空后再将该含氮气体通入该真空耐压反应器内，该含氮气体的压力较佳为0. 1 30大气压(atm)，使该容器内的反应物可充分暴露于该含氮气体中，再通过以热传导或热辐射等方式对该反应物进行加热，例如以电热线(钨丝)、微波、激光或红外线等方式对该反应物进行加热，直至温度达该铝粉的熔点(660°C)以上，使该铝粉产生燃烧。请参照图2所示，由于该铝粉1与该表面改质剂2于反应前已均勻混合，而暴露于该含氮气体3中，因此，如图3所示，于加热过程中，该表面改质剂2便可如前述以直接或间接的方式与该铝粉1产生反应，而均勻地于该铝粉1的表面形成该耐高温的陶瓷层4 (例如氧化物、氢氧化物、氮化物或氮氧化物)，因此可提升该铝粉1表面的陶瓷层4的均勻度。举例而言，若该表面改质剂选择为水，则于加热过程中，该水便可直接与该铝粉进行如式a的反应而形成氢氧化铝的陶瓷层，或间接与该铝粉进行如式b所示的反应而形成氧化铝的陶瓷层。2 [Al] -A1+6H20 — 2 [Al] -Al (OH) 3+3H2..........(a)2 [Al]-Al (OH) 3 — [Al] _A1203+3H20............(b)若该表面改质剂选择为氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙或氢氧化钡，则于加热过程中，该氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙或氢氧化钡便会分别如式C、式d、式e或式f所示，因热分解而产生水及氧化物，而所产生的水便可作为活性物质，与该铝粉进行如式a所示的反应而形成氢氧化物材质的陶瓷层；或者进一步间接与该铝粉进行如式b所示的反应而形成氧化铝的陶瓷层。因此，以该氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙或氢氧化钡作为表面改质剂可间接与该铝粉反应生成该陶瓷层。其中，该表面改质剂较佳选择为氢氧化铝。2A1 (OH) 3 — A1203+3H20.....................(c)Mg (OH) 2 — MgCHH2O.........................(d)Ca (OH) 2 — CaCHH2O.........................(e)Ba (OH) 2 — BaCHH2O.........................(f)若该表面改质剂选择为硝酸铝，则于加热过程中，该硝酸铝便会如式g所示，因热分解产生O2，而所产生的O2便可作为活性物质，与该铝粉进行如式h所示的反应而形成氧化铝材质的陶瓷层。因此，以该硝酸铝作为表面改质剂可间接与该铝粉反应生成该陶瓷层。2A1 (NO3) 3 — Al203+6N02+3/202......................(g)2[Α1]-Α1+3/202 — [Al]-Al2O3.......................(h)请再参照图4所示，形成该陶瓷层4后，随着温度持续上升达660°C，即使该铝粉1 内部因高温而熔融形成熔融态的铝1’，该耐高温的陶瓷层4仍可使熔融态的铝1’之间保有空隙供含氮气体3充分的流经，因此可避免产生融聚现象。请再参照图5所示，待温度持续提升至660°C以上，该陶瓷层4因内部熔融态铝的热膨胀而破裂，该熔融态的铝1’将会溢出，此时，由于该含氮气体3可充分的流经该些空隙，且温度已达燃烧合成反应的高温，因此该含氮气体3可快速与该熔融态的铝1’进行燃烧合成反应形成氮化铝5的产物，而该陶瓷层4也将完全与氮气产生氮化反应而形成该氮化铝5的产物，如图6所示，进而提升整体转化率。因此，本发明透过该表面改质剂的添加，并与该铝粉于反应前便均勻混合，使得于加热过程中，该表面改质剂将直接或间接与该铝粉反应，而均勻地于该铝粉表面形成该耐高温的陶瓷层，可避免现有氮化铝制备方法需先通入含氧气体进行表面改质处理后，再进行氮化反应而造成制程复杂的缺点，也可避免因含氧气体无法均勻流过铝粉而造成陶瓷层分布不均勻的缺点。而本发明所形成的陶瓷层于反应过程中也将因氮气的充分提供而氮化形成氮化铝，因此所制得的氮化铝成品的氧含量并不会因该表面改质剂的添加而增加。至此，便完成本发明的氮化铝的制备方法，因而可提升氮化铝的转化率。此外，该反应物调配步骤Sl可选择性的另进行下列处理，尤其在该反应物于该容器内的整体堆叠密度(反应物总重/反应物堆叠后所占的体积)高于0. 8g/cm3时，该含氮气体不易通过该反应物，为避免转化率的降低，较佳另采用下列处理的至少一种(1)另将一稀释剂与该铝粉及表面改质剂进行混合作为该反应物，该稀释剂为高熔点且不参与化学反应的物质，例如可选自由氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氮化钛 (TiN)、氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(&02)、二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)及前述各项的任意组合所组成的群组，以稀释该铝粉，增加该铝粉之间的空隙，并帮助吸热，避免反应温度过高。该稀释剂以重量百分比计占该反应物总重的0. 01 80%， 较佳为1 30%。(2)另于该反应物中置放至少一个无孔或多孔状的铝管，例如，可选择将该反应物容置于该容器后，将该铝管插设于该反应物中，可增加该铝粉之间的空隙，以便该含氮气体的流通。该铝管内径选择为1 5mm，该铝管壁厚选择为0. 01 0. 5mm，管壁的穿孔的直径选择为0. 001 0. 3mm，若选择为多孔状铝管，则穿孔的总面积占该管壁未设穿孔时的管壁面积的1 50%，以提升该含氮气体的流通。(3)另于该反应物上铺设一起始剂，该起始剂指可在铝的熔点以下分解或气化的化合物，例如可选自由卤化铵盐(例如氯化铵)、含NHy (y = 1 4)的化合物、含卤素的化合物、细铝粉、铝箔球及前述各项的任意组合所组成的群组，以帮助该反应物中的铝粉产生燃烧。(4)先于该容器上铺设一层耐高温的隔离化合物后，再将该反应物置放于该容器内，使该隔离化合物位于该容器及反应物之间，以帮助吸热，进而提升转化率。该隔离化合物可选择为氮化物、氧化物、碳化物或其他耐高温化合物，例如本发明选择以氮化铝作为该隔离化合物。其中，该隔离化合物与该反应物之间较佳另设置一阻绝层，以避免该反应物经燃烧合成反应所形成的氮化铝产物沾黏到该隔离化合物而影响该氮化铝产物的纯度。该阻绝层可选择为无孔或多孔铝箔。此外，该加热燃烧步骤S2中可另选择性的进行下列处理，尤其在该表面改质剂的含量低于该反应物总重的0. 以下时，该表面改质剂的量较少，可能无法使大部分铝粉的表面形成该陶瓷层，因此较佳于该反应物开始燃烧后，将一含氧气体，例如氧气或空气，通入该真空耐压反应器，使该含氧气体流经前述该铝粉之间的空隙并与该铝粉充分接触，使得该含氧气体可与该铝粉进行氧化反应，以于该铝粉表面形成氧化物材质的陶瓷层，以进一步提升陶瓷层的均勻度；再将该含氧气体关闭，并将该含氮气体回充通入该真空耐压反应器，使该包覆有陶瓷层的铝粉重新暴露于该含氮气体中，如前述的反应机制所述，该陶瓷层因高温破裂后，使内部的铝粉可充分与该含氮气体反应而形成氮化铝产物。因此，可通过通入该含氧气体使该铝粉表面更均勻的形成该陶瓷层。如前所述，通过前述反应物调配步骤Sl及加热燃烧步骤S2便可完成氮化铝粉体的制作。而反应完成所获得的氮化铝产物也可进一步研磨成粉状颗粒，以作为进一步的应用。以下另揭示本发明的氮化铝的制备方法于各种不同条件下的实施例，以验证本发明确实可大幅提升氮化铝的制作效率及转化率，并简化制程。请参照表一所示，其为本发明第1至第7实施例的反应条件。以第1实施例为例， 其先将IOOg的片状铝粉及的氢氧化铝(表面改质剂)混合作为该反应物，于直径 8cm，高9cm，穿孔率为15%的石墨坩锅(容器)中铺放一层粒径为0. 1 3mm的氮化铝粉 (耐高温的隔离化合物)，再将无孔的圆筒状铝箔(阻绝层)置入该石墨坩埚中，并将该反应物置入圆筒状铝箔中，最后在该圆筒状铝箔与该石墨坩埚间均勻填充该氮化铝粉体。将该盛装有反应物的石墨坩锅置于该真空耐压反应器中，先抽真空至0. 1陶尔(torr)再同时由该石墨坩埚底部及侧面通入3个大气压的氮气(含氮气体)，以钨丝线圈(电热线)通电 (电压30伏特，电流28安培)进行加热，进行加热约30秒燃烧合成反应即被引燃，随即关闭钨丝线圈电源并由该石墨坩埚底部通入空气(含氧气体)1分钟，空气流量为201iter/ min,随后持续通入氮气以维持该真空耐压反应器内压力为3个大气压(回充氮气压力)，经约60秒反应即完成，而获得氮化铝产物。待氮化铝产物冷却后取出，为淡黄色疏松粉体，此氮化铝产物经简单研磨后，以X光绕射仪(XRD)鉴定，结果如图7所示，图中箭头标示处为氮化铝的绕射峰，显示为氮化铝粉体无误，并且将数克氮化铝粉体放入15wt%盐酸(HCl) 溶液中，溶解残余的铝，同时以排水集气法收集氢气，利用所收集到的氢气计算转化率约为 99. 96%，再以氮氧分析仪分析产物得知氧含量约为0. 15wt%。第2至第7实施例与第1实施例的制程条件差异处列于表一，其中，第7实施例选择以微波方式加热，加热后与第1实施例相同通入空气，各实施例其余制程条件与第1实施例相同。由表一结果可得知，不论以电热线加热或以微波加热，该第1至第7实施例的转化率皆可达到99. 95%以上，再现性相当高，含氧量也仅有0. 15%，且整体反应仅需数分钟便可完成，可大幅提升制程效率及转化率。表一、第1至第7实施例的反应条件差异
权利要求
1.一种氮化铝的制备方法，其特征在于包含一个反应物调配步骤，将铝粉及表面改质剂均勻混合形成反应物，并将该反应物置放于一个容器中；及一个加热燃烧步骤，使该容器中的反应物暴露于含氮气体中，并加热至660°C以上的温度使该反应物燃烧，于加热过程中，该表面改质剂与该铝粉产生表面改质反应，以于该铝粉的表面形成陶瓷层，且该铝粉因燃烧而与该含氮气体进行燃烧发生合成反应而形成氮化O
2.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该加热燃烧步骤中，该表面改质剂直接与该铝粉产生该表面改质反应而形成该陶瓷层。
3.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该加热燃烧步骤中，该表面改质剂间接与该铝粉产生该表面改质反应而形成该陶瓷层。
4.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该加热燃烧步骤中，该表面改质剂因热分解产生活性物质，再通过该活性物质与该铝粉产生该表面改质反应而形成该陶瓷层ο
5.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于以水、氢氧化铝、硝酸铝、氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化钡及前述各项的任意组合所组成的群组作为该表面改质剂。
6.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该表面改质剂以重量百分比计占该反应物总重的0. 1 30%。
7.依权利要求6所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该表面改质剂以重量百分比计占该反应物总重的1 5%。
8.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该反应物调配步骤中，该铝粉及表面改质剂另与稀释剂共同均勻混合形成该反应物。
9.依权利要求8所述的氮化铝的制备方法，其特征在于选择由氮化铝(AlN)、氮化硅 (Si3N4)、氮化钛(TiN)、氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、二氧化钛 (TiO2)、二氧化硅(SiO2)及前述各项的任意组合所组成的群组作为该稀释剂。
10.依权利要求8所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该稀释剂以重量百分比计占该反应物总重的0. 01 80%。
11.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该反应物调配步骤中，另于该反应物中设置至少一个铝管。
12.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该反应物调配步骤中，另于该反应物上设置起始剂，且该起始剂能够在660°C以下分解或气化。
13.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该反应物调配步骤中，是先于该容器设置一层隔离化合物后，再将该反应物置放于该容器内，使得该隔离化合物介于该容器及反应物之间。
14.依权利要求13所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该隔离化合物与该反应物之间另设置有阻绝层。
15.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该加热燃烧步骤中，该含氮气体的压力为0. 1 30大气压。
16.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该加热燃烧步骤中，该反应物燃烧后，使含氧气体与该反应物接触后，关闭该含氧气体，再重新使该含氮气体与该反应物接触。
17.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该含氮气体选自由氨气、氮气、空气及前述各项的任意组合所组成的群组。
18.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该加热燃烧步骤当中，以电热线、微波、激光或红外线的方式进行加热。
19.依权利要求1所述的氮化铝的制备方法，其特征在于该加热燃烧步骤当中，形成氧化物、氢氧化物、氮化物或氮氧化物材质的陶瓷层。
全文摘要
一种氮化铝的制备方法，包含将铝粉及一表面改质剂均匀混合形成一反应物，并将该反应物置放于一容器中；使该容器中的反应物暴露于一含氮气体中，并加热至660℃以上的温度使该反应物燃烧，于加热过程中，该表面改质剂与该铝粉产生表面改质反应，以于该铝粉的表面形成一陶瓷层，且该铝粉因燃烧而与该含氮气体进行燃烧合成反应而形成氮化铝。
文档编号C04B35/581GK102531611SQ20101060434
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者张智伟, 林俊男, 林宏颖, 林静欣, 钟贤龙 申请人:成功大学