一种纳米氮化铝粉体及其制备方法和应用与流程

本发明属于陶瓷材料领域，更具体地，涉及一种纳米氮化铝粉体及其制备方法和应用。

背景技术：

氮化铝(aln)在结构陶瓷和功能陶瓷领域都具有潜在的开发和应用价值。aln的理论热导率可达到320w/m·k，且具有较小的热膨胀系数，是重要的陶瓷基板材料和散热填料。aln在iii族氮化物中具有禁带最宽的直接带隙(6.2ev)，因而在深紫外(uv)光学器件和光致发光(pl)的基质材料方面有很大应用前景。aln具有很小甚至负的电子亲和性，其在场发射(fe)器件上的应用也在逐渐增加。此外，取向生长的aln薄膜是一种具有高的声表面波传播速率的压电材料。aln抗熔融金属侵蚀的能力强，是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的坩埚材料。此外，aln在超过1000℃的高温下表现出的良好的压电和力学性能，扩大了其应用领域。

aln粉体的合成方法主要有物理法和化学法。相对于设备造价和维护费用较高的物理法，传统的化学路线更利于aln的合成。化学方法主要有碳热还原氮化，固态复分解，热分解法，溶剂热法，直接氮化法和化学气相沉积等。近年来报道了一种在前驱盐体系中直接引入氮源的方法：尿素溶液法。目前已有tin、vn、crn、gan、mon、zrn以及aln的相关报道。与其他方法相比，现有aln尿素溶液法制备的aln颗粒较大，纯度低，易于团聚等缺点。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种纳米氮化铝粉体的制备方法，该方法是在尿素溶液法的基础上，以双氰胺为氮源制备出纯度高的纳米氮化铝粉体，该方法具有原材料易得、廉价、合成温度较低的优势，并且可以获得纯度较高的粉体，不需要后处理。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备的纳米氮化铝粉体，所述纳米氮化铝粉体具有粒径小和纯度高的优点。

本发明的再一目的在于提供上述纳米氮化铝粉体的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种纳米氮化铝粉体的制备方法，包括如下具体步骤：

s1.将氯化铝和双氰胺分别溶解在甲醇中，加热待完全溶解后，边搅拌边将双氰胺溶液加入到氯化铝溶液中，得到氯化铝前驱盐溶液；

s2.将氯化铝前驱盐溶液经干燥，得到氯化铝前驱盐粉体；

s3.将氯化铝前驱盐粉体放入氧化铝坩埚中，在氮气的条件下，升温至900～1000℃，并保温，得到纳米氮化铝粉体。

优选地，步骤s1中所述双氰胺和氯化铝的摩尔比为3～6：1。

更为优选地，步骤s1中所述双氰胺和氯化铝的摩尔比为3：1。

优选地，步骤s1中所述加热的温度为30～80℃。

更为优选地，步骤s1中所述加热的温度为60℃。

优选地，步骤s1中所述氯化铝与甲醇的质量体积比为0.05g/ml，双氰胺与甲醇的质量体积比为0.03～0.10g/ml。

优选地，步骤s2中所述干燥的温度为80～90℃。

优选地，步骤s3中所述升温的速率为3～10℃/min，所述保温的时间为2～5h。

更为优选地，步骤s3中所述升温的速率为3℃/min，所述保温的时间为5h。

一种纳米氮化铝粉体是由上述方法制备得到。

所述纳米氮化铝粉体在陶瓷基板材料和散热填料、紫外光学器件和光致发光的基质材料、场发射器件领域中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明用双氰胺代替尿素之后，双氰胺分解更加完全，不会有其他副产物，分解出的nh3与氯化铝结合更加充分，形成的aln的结晶性更好；

2.本发明所需要的原料来源于商业购买，更加便宜，所需烧结温度更低，烧结时间更短；

3.本发明双氰胺与水合氯化铝在甲醇反应更加充分，促进氮化反应，提高氮化铝粉体的纯度，降低氮化铝粉体的粒径，烧结形成的aln纯度更高。

附图说明

图1为实施例1-4制备的纳米氮化铝粉体的xrd图。

图2为实施例1-4制备的纳米氮化铝粉体的sem照片。

图3为实施例5制备的纳米氮化铝粉体的xrd图。

图4为实施例5制备的纳米氮化铝粉体的sem照片。

图5为实施例6制备的纳米氮化铝粉体的xrd图。

图6为实施例6制备的纳米氮化铝粉体的sem照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

1.以水合氯化铝和双氰胺为原料，设定双氰胺/氯化铝摩尔比为3：1，称量水合氯化铝1g、双氰胺1.04g，将适量氯化铝(alcl3·6h2o，99.99％)和双氰胺(c2h4n4，99％)分别溶解在30℃的甲醇中，待完全溶解后，边搅拌边将双氰胺溶液缓慢加入到氯化铝溶液中，获得澄清透明的稳定前驱盐溶液，将溶液放入烘箱中干燥，获得前驱盐粉体；

2.将前驱盐粉体放入氧化铝坩埚中，氮气气氛保护下，在1000℃进行煅烧，保温时间为5h，升温速率为3℃/min，氮气流量为0.4l/min，获得纳米氮化铝粉体。

实施例2

1.以水合氯化铝和双氰胺为原料，设定双氰胺/氯化铝摩尔比为4：1，称量水合氯化铝1g、双氰胺1.39g，将适量氯化铝(alcl3·6h2o，99.99％)和双氰胺(c2h4n4，99％)分别溶解在30℃的甲醇中，待完全溶解后，边搅拌边将双氰胺溶液缓慢加入到氯化铝溶液中，获得澄清透明的稳定前驱盐溶液，将溶液放入烘箱中干燥，获得前驱盐粉体；

2.按照实施例1中的制备工艺，氮气气氛保护下，在1000℃进行煅烧，保温时间为5h，升温速率为3℃/min，氮气流量为0.4l/min，获得纳米氮化铝粉体。

实施例3

1.以水合氯化铝和双氰胺为原料，设定双氰胺/氯化铝摩尔比为5：1，称量水合氯化铝1g、双氰胺1.74g，将适量氯化铝(alcl3·6h2o，99.99％)和双氰胺(c2h4n4，99％)分别溶解在30℃的甲醇中，待完全溶解后，边搅拌边将双氰胺溶液缓慢加入到氯化铝溶液中，获得澄清透明的稳定前驱盐溶液，将溶液放入烘箱中干燥，获得前驱盐粉体；

2.按照实施例1中的制备工艺，氮气气氛保护下，在1000℃进行煅烧，保温时间为5h，升温速率为3℃/min，氮气流量为0.4l/min，获得纳米氮化铝粉体。

实施例4

1.以水合氯化铝和双氰胺为原料，设定双氰胺/氯化铝摩尔比为6：1，称量水合氯化铝1g、双氰胺2.09g，将适量氯化铝(alcl3·6h2o，99.99％)和双氰胺(c2h4n4，99％)分别溶解在30℃的甲醇中，待完全溶解后，边搅拌边将双氰胺溶液缓慢加入到氯化铝溶液中，获得澄清透明的稳定前驱盐溶液，将溶液放入烘箱中干燥，获得前驱盐粉体；

2.按照实施例1中的制备工艺，氮气气氛保护下，在1000℃进行煅烧，保温时间为5h，升温速率为3℃/min，氮气流量为0.4l/min，获得纳米氮化铝粉体。

图1为实施例1-4制备的纳米氮化铝粉体的xrd图。其中，a-d分别对应实施例1-4的xrd图谱。从图1中可知，每一个峰都对应着aln的相，峰较锐利，说明制备的氮化铝纯度高，结晶性好。在其余条件不变的情况下，随着双氰胺/氯化铝摩尔比的增加，峰强度逐渐增加，峰变得更加锐利，说明形成了结晶性更好的aln。

谢乐公式为d＝kλ/bcosθ，其中，k为常数0.89，θ为衍射角，λ为x射线波长0.154056nm，b为衍射线剖面的半宽度，代入各值即可计算得到单个衍射峰所代表的晶面法向的晶粒厚度，取多个衍射峰计算得到平均尺寸d。由谢乐公式计算的aln平均粒径发现，在其余条件不变的情况下，随双氰胺/氯化铝摩尔比值的增加，aln颗粒有增大的趋势。

图2为实施例1-4制备的纳米氮化铝粉体的sem照片。其中，(a)为实施例1制得的氮化铝粉体，(b)为实施例2制得的氮化铝粉体，(c)为实施例3制得的氮化铝粉体，(d)为实施例制4得的氮化铝粉体。从图2中可知，在放大20万倍下，(a-d)均能看清楚aln的颗粒形貌，实施例1-4中所得氮化铝粉体的平均粒径分别为18nm、24nm、23nm和29nm左右，说明制备的aln粒径相当小。通过谢乐公式计算得的aln平均粒径可知，随双氰胺含量增加，aln颗粒有增大的趋势。

实施例5

1.以水合氯化铝和双氰胺为原料，按双氰胺/氯化铝摩尔比为3:1，称量水合氯化铝1g、双氰胺1.04g，将适量氯化铝(alcl3·6h2o，99.99％)和双氰胺(c2h4n4，99％)分别溶解在80℃的甲醇中，待完全溶解后，边搅拌边将双氰胺溶液缓慢加入到氯化铝溶液中，获得澄清透明的稳定前驱盐溶液，将溶液放入烘箱中干燥，获得前驱盐粉体；

2.按照实施例1中的制备工艺，氮气气氛保护下，在900℃进行煅烧，保温时间为5h，升温速率为3℃/min，氮气流量为0.4l/min，获得纳米氮化铝粉体。

图3为本实施例制备的纳米氮化铝粉体的xrd图。从图3中可知在双氰胺/氯化铝摩尔比值保持不变的情况下，将最高烧结温度从1000℃降为900℃，发现xrd图谱中的峰强度变弱，说明温度降低，形成的aln结晶性变差，由谢乐公式计算的aln平均粒径发现，当900℃时aln颗粒平均粒径为30nm，1000℃时aln颗粒平均粒径为18nm。在其余条件不变的情况下，随温度降低，aln颗粒有增大的趋势。

图4为本实施例制备的纳米氮化铝粉体的sem图。从图4中可知，在放大20万倍下，能稍微看清楚aln的颗粒形貌，氮化铝粉体的平均粒径为30nm左右，说明制备的aln粒径相当小。

实施例6

1.以水合氯化铝和双氰胺为原料，设定双氰胺/氯化铝摩尔比为3:1，称量水合氯化铝1g、双氰胺1.04g，将适量氯化铝(alcl3·6h2o，99.99％)和双氰胺(c2h4n4，99％)分别溶解在80℃的甲醇中，待完全溶解后，边搅拌边将双氰胺溶液缓慢加入到氯化铝溶液中，获得澄清透明的稳定前驱盐溶液，将溶液放入烘箱中干燥，获得前驱盐粉体；

2.按照实施例1中的制备工艺，氮气气氛保护下，在1000℃进行煅烧，保温时间为2h，升温速率为3℃/min，氮气流量为0.4l/min，获得氮化铝粉体。

图5为本实施例制备的纳米氮化铝粉体的xrd图。从图5中可知在双氰胺/氯化铝摩尔比值保持不变的情况下，将保温时间从5h变为2h，发现xrd图谱中的峰强度变弱，说明保温时间减少，形成的aln结晶性变差，由谢乐公式计算的aln平均粒径发现，在其余不变的情况下，随保温时间减少，aln颗粒有增大的趋势。图6为本实施例制备的纳米氮化铝粉体的sem图。从图6中可知，在放大20万倍下，能稍微看清楚aln的颗粒形貌，氮化铝粉体的平均粒径为35nm左右，说明制备的aln粒径相当小。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。