一种氮化铝陶瓷粉体的制备方法
【专利摘要】本发明属于一种陶瓷粉体制备工艺【技术领域】，涉及一种超高纯度氮化铝粉体的制备方法。该技术的步骤是：金属铝水解-Al源和C源的混合料浆-料浆凝胶化-凝胶体干燥、粉碎-凝胶粉体碳热还原氮化处理-除碳处理。本发明利用高纯铝的水解反应，获得氧化铝前驱体，利用高纯蔗糖为C源，采用凝胶固相法结合碳热还原氮化工艺，通过Al源和C源纯度的控制及非空气氧化气氛除碳工艺处理，获得纯度高达99.99％的超高纯度、高烧结活性氮化铝粉体。本发明可以获得超高纯度、高烧结活性的氮化铝粉体，可满足激光武器及微电子技术等领域对氮化铝粉体的超高纯度要求。
【专利说明】一种氮化铝陶瓷粉体的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于一种陶瓷粉体制备工艺【技术领域】，涉及一种超高纯度氮化铝粉体的制备方法。
【背景技术】
[0002]氮化铝(A1N)是继第一代Ge、Si半导体、第二代GaAs、InP、GaP化合物半导体之后发展起来的第三代半导体材料。它是一种六方纤锌矿结构的III族氮化物，由于具有禁带宽度大(6.2eV)、击穿电场高(14MV/cm)、电子迁移速度大(300cm2/Vs)、热导率高(260W/m.K)等优良特性以及良好的化学、热稳定性和抗辐射能力，是制作高频、高温、高压、大功率电子器件的理想基础材料。特别是相比于现有的GaAs或InP基器件，A1N基THz发射源能提供更大功率和更高频率。因此，为提高太赫兹量子级联激光器、高电子迁移率晶体管、肖特基二极管等核心器件的性能，特别是高温、高频(太赫兹频段)、大功率输出等，较成熟的S1、GaAs材料体系不能满足要求；而以氮化物(如AIN、GaN)为代表的材料体系就成为发展趋势。这些核心器件的实现需要高纯度的AIN、GaN等基础材料，它们成为太赫兹量子级联激光器、高电子迁移率晶体管、肖特基二极管等核心器件性能提升的基础。为保证A1N基THz发射源在太赫兹成像雷达中的应用效果，对其中的核心材料——高纯A1N薄膜及其高致密A1N陶瓷(靶材)提出了更高的技术要求:一方面，要求A1N薄膜具有极高的纯度(彡99.995% )和特定的化学计量比(N原子比彡50% );另一方面，靶材成分及结构直接关系到沉积薄膜的质量，要求A1N靶材具有极高的纯度(> 99.999% )和高致密度(彡 98% )。
[0003]为了获得高纯、高致密A1N靶材，高纯、高烧结活性A1N粉体的获得是关键。目前，合成A1N粉体最常用的方法主要有铝粉直接氮化法和碳热还原法。铝粉直接氮化法在铝粉直接氮化过程中，铝粉表面氮化形成的氮化铝膜会使其进一步氮化变得困难，从而造成氮化不完全的问题。而且，铝粉原料表面形成的氧化铝膜容易带入0杂质，影响A1N粉体的纯度。又因为氮化铝极易被氧化，所以，要获得超高纯度的A1N粉体，首先必须将A1源碳热还原，除去其中的0元素。其次，必须在非空气氧化气氛下进行除碳处理，防止氮化铝的氧化。目前已有的碳热还原技术制备的氮化铝粉体无法达到超高纯度的要求。如201010527703.1 “一种共沉淀-碳热还原制备氮化铝粉末的方法”，此方法中采用硫酸铝按为铝源，碳黑为碳源，通过加入沉淀剂碳酸氢铵获得前驱物，前驱物碳热还原氮化后在一定条件下脱碳处理。200810229583.X“一种高纯超细氮化铝粉体的高分子网络制备方法”。此方法中，通过采用硝酸铝作为铝源、蔗糖为碳源，经碳热还原氮化后，在空气中进行除碳处理。以上方法中均无法获得纯度高达99.99%的超高纯度氮化铝粉体，无法满足激光武器及微电子技术等领域对氮化铝粉体的超高纯度要求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提出一种纯度高、烧结活性高的氮化铝陶瓷粉体的制备方法。
[0005]本发明的技术方案是:该方法的操作步骤如下:
[0006](I)金属铝水解
[0007]将纯度高达99.99%的金属铝置于烧杯中，加入纯水，铝和纯水的质量比为1:2-1:5,加热水温至800C -150°C，同时进行快速搅拌处理，使金属铝与水发生水解反应，搅拌时间为1-5小时，直到反应完全，得到铝的水解料浆；
[0008](2)混合料浆制备
[0009]在上述水解料浆中按配比加入纯度高达99.99%的蔗糖，金属铝与蔗糖的摩尔比为1:0.1-1:5，蔗糖溶解后搅拌均匀得到Al源和C源的均匀混合料浆；
[0010](3)料浆凝胶化
[0011]在上述混合料浆中依次加入有机单体、交联剂和引发剂，有机单体是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交联剂是亚甲基双丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸，有机单体和交联剂的质量比例在10:1-30:1之间选取，有机单体和交联剂的总加入量为纯水量的5-30%，弓丨发剂为过硫酸铵，加入量为有机单体的0.2-0.6%，搅拌均匀后置于烘箱中加热，加热温度在50-100°C之间，加热时间为10-20分钟，得到湿凝胶体；
[0012](4)凝胶体干燥、粉碎
[0013]将湿凝胶体切成小块后放入烘箱中干燥，干燥温度为80-120°C之间，干燥时间为10-15小时,将干燥后的凝胶块在行星磨中进行球磨粉碎,获得凝胶粉体；
[0014](5)碳热还原氮化
[0015]将上述凝胶粉体置于N2气氛炉中，在N2气氛下进行煅烧，让凝胶粉体进行碳热还原氮化反应，煅烧温度为1000°c -1600°c，保温时间为5-10小时；
[0016](6)除碳处理
[0017]将上述碳热还原氮化反应后的粉体置于CO2气氛炉中，在CO2气氛下进行二次煅烧，脱除多余的C，煅烧时间为600°C-100(TC，保温时间为5-15小时，充分除碳处理后得到氮化铝陶瓷粉体。
[0018]所采用金属铝作为铝源，利用金属铝的水解特性获得Al2O3前驱体，蔗糖作为C源。
[0019]本发明的优点是:
[0020]第一，本发明通过合成氮化铝粉体过程中Al源和C源纯度的控制，保证合成粉体的超高纯度(99.99%) ο
[0021]第二，本发明采用高纯度金属铝为原料，与其他高纯铝源相比，99.99%高纯金属铝来源广泛，成本低廉。
[0022]第三，本发明采用蔗糖为C源，蔗糖极易溶于水，因此，C源是以分子的形式存在于混合料浆中，通过搅拌可与Al水解得到的Al2O3前驱体充分且均匀混合，有利于Al源和碳源的充分反应。
[0023]第四，本发明采用凝胶固相合成法，通过加入单体、交联剂及引发剂，使铝源和碳源的混合料浆在加热条件下形成凝胶，凝胶的形成使铝源和碳源得到固定并充分接触，有利于碳热还原反应的快速进行和反应完全。
[0024]第五，本发明采用CO2进行除碳处理，由于CO2的氧化能力比O2弱，在高温下只能与一次煅烧后粉体中残余的C反应，而不会氧化AlN粉体，从而保证了 AlN的超高纯度。如果直接在空气中除碳处理，空气中的O2不仅和C反应，还会与一次煅烧后生成的AlN粉体发生反应，带入O杂质。
[0025]第六，本发明所使用设备都为通用设备，操作过程简单。
[0026]第七，本方法制备的氮化铝陶瓷粉体纯度可高达99.99%。
【具体实施方式】
[0027]下面对本发明做进一步详细说明。一种氮化铝陶瓷粉体的制备方法，该方法的操作步骤如下:
[0028]1、一种氮化铝陶瓷粉体的制备方法。
[0029]该方法的操作步骤如下:
[0030](I)金属铝水解
[0031]将纯度高达99.99%的金属铝置于烧杯中，加入纯水，铝和纯水的质量比为1:2-1:5,加热水温至800C -150°C，同时进行快速搅拌处理，使金属铝与水发生水解反应，搅拌时间为1-5小时，直到反应完全，得到铝的水解料浆；
[0032](2)混合料浆制备
[0033]在上述水解料浆中按配比加入纯度高达99.99%的蔗糖，金属铝与蔗糖的摩尔比为1:0.1-1:5，蔗糖溶解后搅拌均匀得到Al源和C源的均匀混合料浆；
[0034](3)料浆凝胶化
[0035]在上述混合料浆中依次加入有机单体、交联剂和引发剂，有机单体是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交联剂是亚甲基双丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸，有机单体和交联剂的质量比例在10:1-30:1之间选取，有机单体和交联剂的总加入量为纯水量的5-30%，弓丨发剂为过硫酸铵，加入量为有机单体的0.2-0.6%，搅拌均匀后置于烘箱中加热，加热温度在50-100°C之间，加热时间为10-20分钟，得到湿凝胶体；
[0036](4)凝胶体干燥、粉碎
[0037]将湿凝胶体切成小块后放入烘箱中干燥，干燥温度为80-120°C之间，干燥时间为10-15小时,将干燥后的凝胶块在行星磨中进行球磨粉碎,获得凝胶粉体；
[0038](5)碳热还原氮化
[0039]将上述凝胶粉体置于N2气氛炉中，在N2气氛下进行煅烧，让凝胶粉体进行碳热还原氮化反应，煅烧温度为1000°c -1600°c，保温时间为5-10小时；
[0040](6)除碳处理
[0041]将上述碳热还原氮化反应后的粉体置于CO2气氛炉中，在CO2气氛下进行二次煅烧，脱除多余的C，煅烧时间为600°C-100(TC，保温时间为5-15小时，充分除碳处理后得到氮化铝陶瓷粉体。
[0042]实施例1
[0043]称取200g高纯金属铝片，纯度为99.99%，铝片尺寸为1mmX 1mmX Imm,置于烧杯中，加入纯水500g，加热水温至90°C，同时进行快速搅拌处理，使金属铝与水发生水解反应，搅拌3小时，反应完全，得到铝的水解料浆。然后加入350g高纯蔗糖继续搅拌20分钟，蔗糖完全溶解并均匀混合之后，加入丙烯酰胺50g，亚甲基双丙烯酰胺2.5g，过硫酸铵
0.25g,搅拌均匀后置于烘箱中加热至70°C，待料浆凝胶后，将湿凝胶切成小块放入烘箱中升温至100°c进行干燥，干燥12小时。将干燥后的凝胶块在行星磨中进行湿磨粉碎并干燥后置于气氛炉中，在N2气氛下1500°C进行煅烧，保温6小时。将碳热还原氮化反应后的粉体在CO2气氛下800°C进行二次煅烧，保温8小时脱除多余的C。充分除碳处理后可得到超高纯度、高烧结活性氮化铝陶瓷粉体。
[0044]实施例2:
[0045]称取500g高纯颗粒状铝锭，纯度为99.99%，加入纯水1500g，加热水温至80°C，同时进行快速搅拌处理，使金属铝与水发生水解反应，搅拌5小时，反应完全，得到铝的水解料浆。然后加入700g高纯蔗糖继续搅拌20分钟，蔗糖完全溶解并均匀混合之后，加入甲基丙烯酰胺120g，多乙二醇二甲基丙烯酸5g，过硫酸铵0.6g，搅拌均匀后置于烘箱中加热至80°C，待料浆凝胶后，将湿凝胶切成小块放入烘箱中升温至100°C进行干燥，干燥12小时。将干燥后的凝胶块在行星磨中进行湿磨粉碎并干燥后置于气氛炉中，在N2气氛下1550°C进行煅烧，保温5小时。将碳热还原氮化反应后的粉体在CO2气氛下900°C进行二次煅烧，保温6小时脱除多余的C。充分除碳处理后可得到超高纯度、高烧结活性氮化铝陶瓷粉体。
【权利要求】
1.一种氮化铝陶瓷粉体的制备方法，其特征是， 该方法的操作步骤如下: (1)金属铝水解 将纯度高达99.99 %的金属铝置于烧杯中，加入纯水，铝和纯水的质量比为1:2-1: 5，加热水温至80°C -150°C，同时进行快速搅拌处理，使金属铝与水发生水解反应，搅拌时间为1-5小时，直到反应完全，得到铝的水解料浆； (2)混合料浆制备 在上述水解料浆中按配比加入纯度高达99.99%的蔗糖，金属铝与蔗糖的摩尔比为1:0.1-1:5，蔗糖溶解后搅拌均匀得到Al源和C源的均匀混合料浆； (3)料浆凝胶化 在上述混合料浆中依次加入有机单体、交联剂和引发剂，有机单体是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交联剂是亚甲基双丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸，有机单体和交联剂的质量比例在10:1-30:1之间选取，有机单体和交联剂的总加入量为纯水量的5-30%，引发剂为过硫酸铵，加入量为有机单体的0.2-0.6%，搅拌均匀后置于烘箱中加热，加热温度在50-100°C之间，加热时间为10-20分钟，得到湿凝胶体； (4)凝胶体干燥、粉碎 将湿凝胶体切成小块后放入烘箱中干燥，干燥温度为80-120°C之间，干燥时间为10-15小时,将干燥后的凝胶块在行星磨中进行球磨粉碎,获得凝胶粉体； (5)碳热还原氮化 将上述凝胶粉体置于N2气氛炉中，在N2气氛下进行煅烧，让凝胶粉体进行碳热还原氮化反应，煅烧温度为1000°C -1600°C，保温时间为5-10小时； (6)除碳处理 将上述碳热还原氮化反应后的粉体置于CO2气氛炉中，在CO2气氛下进行二次煅烧，脱除多余的C，煅烧时间为600°C -1OOO0C，保温时间为5-15小时，充分除碳处理后得到氮化铝陶瓷粉体。
2.根据权利要求1所述的一种氮化铝陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，采用金属铝作为铝源，利用金属铝的水解特性获得Al2O3前驱体，蔗糖作为C源。
【文档编号】C04B35/581GK104402452SQ201410601847
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】梁艳媛, 王岭, 焦健, 焦春荣, 李光亚 申请人:中国航空工业集团公司基础技术研究院