一种用于陶瓷基板的高纯度氮化铝粉末材料及其制备方法与流程

本发明涉及氮化铝材料及其制备方法，具体地说是一种用于陶瓷基板的高纯度氮化铝粉末材料及其制备方法。
背景技术：
：氮化铝陶瓷以其具有高的热导率、与硅媲美的热膨胀系数(2.65×10-6·k-1)、同时兼具高强度、高耐腐蚀性、高电绝缘性、低电容率和低介电损耗等优良特性，成为现代电子工业中理想的封装和陶瓷基板材料。目前，氮化铝粉末的制备工艺主要有以下几种：1、铝粉直接氮化法。高温氮气中，铝粉直接与氮气反应生成氮化铝粉。该方法虽然工艺简单，但是工艺过程中存在团聚严重现象，制备的氮化铝粉体纯度低、颗粒均匀性差。2、自蔓延高温合成法。自蔓延高温合成法制备氮化铝一般采用铝粉在高压氮气中被外界热源点燃，金属铝与氮气之间高化学反应使反应自维持下去，直至铝粉完全转化为氮化铝。该方法可以制备高纯度的氮化铝粉，但工艺需要较高的氮气压力，使得成本很高，难以达到大规模生产及推广应用。3、化学气相沉积法。化学气相沉积法制备氮化铝是基于铝的挥发性化合物与氨气或氮气的化学反应。该方法可以制备纯度高、粒度均匀细小的氮化铝粉，但生产效率低，所用铝源挥发性化合物的原料价格较高，目前尚难在工业上推广应用。4、碳热还原氮化法。其方法是将铝源化合物与超细碳粉充分混合，在氮气氛围下经高温合成氮化铝粉。该工艺条件要求低，采用的原料成本低，其与前几种方法相比更适合大规模生产和应用。但是，目前的碳热还原氮化法制备的氮化铝粉末还存在纯度低、粒径大、颗粒团聚严重等缺陷，无法满足陶瓷基板和封装材料要求氮化铝的粒径小于2μm和高纯度的要求。如日本德山株式会社在cn201480006112中公布了碳热还原法制备氮化铝粉末的方法，其氮化铝粉末就存在颗粒团聚严重、粒径大的缺陷；又如上海理工大学在cn201110193372.7公开了借助高能球磨低温碳热还原法制备氮化铝，但是该方法制备的氮化铝同样存在粒径大、颗粒团聚现象严重的问题。因此，为满足陶瓷基板及封装材料的使用需求，探究更好的碳热还原工艺方法制备出低团聚、低氧含量、高纯度、小粒径的氮化铝是行业内积极研究的课题之一。技术实现要素：本发明的目的是提供一种用于陶瓷基板的高纯度氮化铝粉末材料及其制备方法，以解决现有工艺制备的氮化铝粉末存在纯度低、粒径大、团聚现象严重的问题。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于陶瓷基板的高纯度氮化铝粉末材料，所述氮化铝中氮含量为33.0-34.1wt％，含氧量为小于1wt％，平均粒径为1.0-2.0μm；所述氮化铝粉末材料是通过以下方法制备：(a)按氢氧化铝与硼酸、烧结助剂按质量比为96-98:1-2:1-2称量，混合均匀后转移到马弗炉，在600℃下退火60min，冷却至室温，机械研磨，得多孔al2o3粉末；所述烧结助剂为caf2、y2o3或nh4f中的任意一种；(b)多孔al2o3粉末与去离子水按质量体积比为66.7g:200ml混合，搅拌，水浴加热至60℃时，加入无机铝盐和表面活性剂，混合均匀，用稀盐酸调节溶液的ph值至2-4，得悬浮液；所述多孔al2o3粉末、无机铝盐和表面活性剂的质量体积比为66.7g:5g:0.5ml；所述无机铝盐为al(no3)3和alcl3中的至少一种；所述表面活性剂为聚乙二醇；(c)在所述悬浮液中加入超细碳粉，搅拌均匀，逐滴加入氨水至悬浮液的ph值到10-13停止滴加，60℃水浴，搅拌，直至悬浮液变为均匀黑色胶状物；所述超细碳粉的添加量为所述多孔al2o3粉末质量的50％；(d)将所述黑色胶状物真空干燥，将干燥后的黑色块状物研磨至粉末状，将黑色粉末移到石墨坩埚中并置于碳管炉中，抽真空后通入氮氢混合气流，在1550-1700℃反应5-7h，得黑色固体；(e)将所述黑色固体研磨，置于温度为650-750℃下保温脱碳1-3h即得。本发明提供的用于陶瓷基板的高纯度氮化铝粉末材料制备方法，包括以下步骤：(a)按氢氧化铝与硼酸、烧结助剂按质量比为96-98:1-2:1-2称量，混合均匀后转移到马弗炉，在600℃下退火60min，冷却至室温，机械研磨，得多孔al2o3粉末；所述烧结助剂为caf2、y2o3或nh4f中的任意一种；(b)多孔al2o3粉末与去离子水按质量体积比为66.7g:200ml混合，搅拌，水浴加热至60℃时，加入无机铝盐和表面活性剂，混合均匀，用稀盐酸调节溶液的ph值至2-4，得悬浮液；所述多孔al2o3粉末、无机铝盐和表面活性剂的质量体积比为66.7g:5g:0.5ml；所述无机铝盐为al(no3)3和alcl3中的至少一种；所述表面活性剂为聚乙二醇；(c)在所述悬浮液中加入超细碳粉，搅拌均匀，逐滴加入氨水至悬浮液的ph值到10-13停止滴加，60℃水浴，搅拌，直至悬浮液变为均匀黑色胶状物；所述超细碳粉的添加量为所述多孔al2o3粉末质量的50％；(d)将所述黑色胶状物真空干燥，将干燥后的黑色块状物研磨至粉末状，将黑色粉末移到石墨坩埚中并置于碳管炉中，抽真空后通入氮氢混合气流，在1550-1700℃反应5-7h，得黑色固体；(e)将所述黑色固体研磨，置于温度为650-750℃下保温脱碳1-3h即得高纯度氮化铝粉末。本发明制备方法中步骤(c)所述超细碳粉的粒径为10-40nm。本发明制备方法中步骤(d)的氮氢混合气流中氮气和氢气的体积比为9:1，所述氮氢混合气流的流速为5-10l/h。本发明通过特定的工艺步骤首次制备了纯度高、粒径小、颗粒分布窄、氧含量低的氮化铝粉末，本发明制备的氮化铝粒径可以控制在0.1-0.2μm，纯度高，含氧量可控制在1wt％，能够满足陶瓷基板烧结的要求，可与其他添加剂形成均匀稳定的浆料，进而制备致密度高、导热率高氮化铝陶瓷基板；纯度高、粒径小可提高烧结基板的致密度；氧含量低可有效避免氮化铝晶格中铝空位的数量，进而提高烧结基板的热导率；而且本发明提供制备过程简单，操作成本低，工艺窗口宽，适于大规模工业化生产，所制备的高纯氮化铝粉末可作为陶瓷基板及封装材料广泛使用。附图说明图1是实施例30制备的氮化铝粉末材料的xrd图。图2是对比例1制备的氮化铝粉末材料的xrd图。图3是实施例30制备的氮化铝粉末材料的sem图。图4是对比例1制备的氮化铝粉末材料的sem图。具体实施方式下面实施例用于进一步详细说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。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。但不以任何形式限制本发明。实施例1(1)分别称取98g氢氧化铝、1g硼酸和1gcaf2，混合放入玛瑙研钵中，研磨30min，将混合均匀的粉末样品导入刚玉坩埚中，将刚玉坩埚转移到马弗炉，600℃退火1h；待马弗炉自然冷却至室温，将烧结得到的al2o3样品取出，机械研磨10min，得多孔al2o3粉末；(2)将66.7g的多孔al2o3粉末倒入装有200ml去离子水的烧杯中，将烧杯放入恒温水浴锅，玻璃棒搅拌，加热升温到60℃；向溶液中加入5g硝酸铝，继续搅拌，待硝酸铝完全溶解后，加入0.5ml聚乙二醇，用稀盐酸调节溶液至ph值＝2，得悬浮液；(3)向烧杯中的悬浮液中加入33.3g平均粒径为10nm的碳粉，60℃水浴搅拌，待搅拌均匀后，缓慢滴加氨水至溶液的ph值＝12，停止滴加，继续水浴(60℃)搅拌，直至烧杯里物质变成均匀的黑色胶状物；(4)将盛有黑色胶状物的烧杯放入真空干燥箱，在80℃条件下真空保温干燥12h，将得到的黑色块状固体转移到玛瑙研钵中研磨，将研磨得到的黑色固体粉末转移到石墨坩埚，将石墨坩埚放入碳管炉，抽真空3次后，通入氮氢混合气流，氮气和氢气的体积比为9:1，其氮氢混合气流的流速为10l/h，在1550℃条件下，保温5h，冷却至室温后，得黑色固体；(5)将黑色固体研磨为黑色粉末，从石墨坩埚转移到刚玉坩埚，将刚玉坩埚放入箱式炉，在空气流量10l/min，700℃条件下保温1h，即得高纯度氮化铝粉末材料。实施例2-12实施例2-12的制备方法同实施例1，仅改变了步骤(1)中的硼酸的添加量和助剂的种类。实施例13(1)分别称取97g氢氧化铝、2g硼酸和1gy2o3，混合放入玛瑙研钵中，研磨30min，将混合均匀的粉末样品导入刚玉坩埚中，将刚玉坩埚转移到马弗炉，600℃退火1h；待马弗炉自然冷却至室温，将烧结得到的al2o3样品取出，机械研磨10min，得多孔al2o3粉末；(2)将66.7g多孔al2o3粉末倒入装有200ml去离子水的烧杯中，将烧杯放入恒温水浴锅，玻璃棒搅拌，加热升温到60℃；向溶液中加入5g硝酸铝，继续搅拌，待硝酸铝完全溶解后，加入0.5ml聚乙二醇，用稀盐酸调节溶液至ph值＝2，得悬浮液；(3)向烧杯中的悬浮液中加入33.3g平均粒径为10nm的碳粉，继续水浴(60℃)搅拌，待搅拌均匀后，缓慢滴加氨水至溶液的ph值＝12，停止滴加，继续水浴(60℃)搅拌，直至烧杯里物质变成均匀的黑色胶状物；(4)将盛有黑色胶状物的烧杯放入真空干燥箱，在80℃条件下真空保温干燥12h，将得到的黑色块状固体转移到玛瑙研钵中研磨，将研磨得到的黑色固体粉末转移到石墨坩埚，将石墨坩埚放入碳管炉，抽真空3次后，通入氮氢混合气流，氮气和氢气的体积比为9:1，其氮氢混合气流的流速为10l/h，在1550℃条件下，保温5h，冷却至室温后，得黑色固体；(5)将黑色固体研磨为黑色粉末，从石墨坩埚转移到刚玉坩埚，将刚玉坩埚放入箱式炉，在空气流量10l/min，700℃条件下保温1h，即得高纯度氮化铝粉末材料。实施例14-18实施例14-18的制备方法与实施例13一致，仅改变了步骤(2)中的无机铝盐的种类和添加比例。编号al(oh)3/g硼酸/gy2o3/g硝酸铝/g氯化铝/g实施例14972141实施例15972132实施例16972123实施例17972114实施例18972105实施例19-20实施例19-20的制备方法与实施例16一致，仅改变了步骤(2)中用稀盐酸调节溶液后的ph值。实施例21-23实施例21-23的制备方法与实施例16一致，仅改变了步骤(3)中用碳粉的粒径。实施例24-26实施例24-26的制备方法与实施例16一致，仅改变了步骤(3)中用氨水调节溶液的ph值。实施例27-32实施例27-32的制备方法与实施例25一致，改变了步骤(4)中的氮化温度以及氮氢混合气体的通入量。实施例33-36实施例33-36的制备方法与实施例30一致，改变了步骤(5)中的脱碳温度和空气流量。对比例1根据专利cn201380009981.x中公开的技术内容，按照其公开的实施例1进行重复性实验。将平均粒径1.2μm、比表面积10.7m2/g的α-al2o3及比表面积125m2/g的炭黑与平均粒径1μm的氧化钇混合；将上述均匀混合的粉末在1700℃和80％n2/co6l/min条件下，保温10h；将氮化后的粉末样品空气气氛下700℃氧化处理5h除去过量的炭黑，制得氮化铝粉末。实施例37对实施例和对比例制备的氮化铝粉末进行性能检测，检测指标有：氮含量测试；氧含量测试；平均粒径检测以及k值((d90-d10)/d50)；氮含量以及氧含量结果由氧氮分析仪测试得出，平均粒径由粒度仪进行检测。以实施例30为例，对实施例30和对比例1制备的氮化铝粉末材料检测得xrd图如图1和图2所示；对实施例30和对比例1制备的氮化铝粉末材料测得的sem图如图3和图4所示。检测结果见表1。表1实施例1-36以及对比例1-14的性能由表1可知，实施例34选择y2o3作为助剂，al(oh)3:硼酸:y2o3＝97:2:1，硝酸铝：氯化铝＝2:3，溶液(稀hcl调节)ph值为2，炭黑粒径为10nm，溶液(氨水调节)ph值为11，氮化温度为1600℃，氮气流速为10l/min，脱碳温度650℃，空气流量15l/min，氮化率为100％，制得的氮化铝平均粒径最小，为1.0μm，含氧量最小，为0.7％。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所述实施例的限制，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、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。当前第1页12