氮化铝粉体的制备方法

文档序号:10711643
氮化铝粉体的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种氮化铝粉体的制备方法。该氮化铝粉体的制备方法包括如下步骤:将拟薄水铝石凝胶、无机碳源、水溶性有机碳源和助烧剂混合,得到混合物;在氮气的气氛下,将混合物于1250~1700℃中氮化,得到还原产物;在有氧条件下,将还原产物在600~720℃的条件下煅烧3~10小时,得到氮化铝粉体。该方法制备的氮化铝粉体的纯度较高。
【专利说明】
氮化错粉体的制备方法
技术领域
[0001 ]本发明设及陶瓷材料领域,尤其设及一种氮化侣粉体的制备方法。
【背景技术】
[0002] 氮化侣陶瓷材料具有高热导率、优良的电学性能、较优良的力学性能W及与娃相 匹配的热膨胀系数,同时具有优良的抗氧化、耐热冲击性能,是高功率密度集成电路、高功 率L邸及IGBT模块用理想的散热封装材料。
[0003] 目前的氮化侣粉的制备方法主要包括:碳热还原法、侣粉氮化法、高溫自蔓延法、 溶胶凝胶法、气相法等,其中,碳热还原法和侣粉氮化法是目前适合大规模量产的两种方 法。
[0004] 碳热还原法主要是将侣源和碳源均匀混合,在氮气气氛下进行氮化,反应过程中 通常添加少量的反应助剂,如稀±氧化物、弱碱氧化物等,提高反应速率并降低氮化溫度。 然而通常碳热还原法是采用氧化侣作为侣源,由于氧化侣粉与碳源的比重及表面性质差异 太大,较难混合均匀,使得反应不完全,导致粉体的纯度较低。侣粉氮化法是将侣粉通过高 溫在氮气气氛下加热直接氮化,生成氮化侣粉,由于侣粉在氮化过程中易结块或形成烙融 的侣,也会导致氮化不完全,影响粉体纯度。

【发明内容】

[0005] 基于此,有必要提供一种能够制备出具有较高纯度的粉体的氮化侣粉体的制备方 法。
[0006] -种氮化侣粉体的制备方法,包括如下步骤:
[0007] 将拟薄水侣石凝胶、无机碳源、水溶性有机碳和助烧剂混合,得到混合物;
[000引在氮气的气氛下,将所述混合物于1400~1700°C下氮化,得到还原产物;
[0009] 在有氧条件下,将所述还原产物在600~720°C的条件下般烧3~10小时,得到氮化 侣粉体。
[0010] 在其中一个实施例中,所述无机碳源选自碳黑、焦炭、石墨粉及木炭等中的一种。
[0011] 在其中一个实施例中,所述水溶性有机碳选自薦糖、葡萄糖及糖慷中的一种。
[0012] 在其中一个实施例中,所述助烧剂选自氧化巧、氧化巧、氧化领及氧化锭中的至少 一种。在其中一个实施例中,所述无机碳源和所述水溶性有机碳中的碳的摩尔量之和与所 述拟薄水侣石凝胶中的侣的摩尔量的比为1.5~6:1。
[0013] 在其中一个实施例中,所述无机碳源、所述水溶性有机碳和所述拟薄水侣石凝胶 的质量之和与所述助烧剂的质量的比为100:0.1~1.5。
[0014] 在其中一个实施例中,还包括拟薄水侣石凝胶的制备步骤:
[0015] 将氨氧化侣和氨氧化钢于水中反应,得到偏侣酸钢的水溶液;
[0016] 对所述偏侣酸钢的水溶液通入二氧化碳反应,得到拟薄水侣石凝。
[0017] 在其中一个实施例中,将所述氨氧化侣和所述氨氧化钢于水中反应的步骤为:按 照体积质量比为10毫升:2克~6克,将所述氨氧化侣加入质量百分浓度为10~40 %的氨氧 化钢的水溶液中,在90~11(TC下揽拌反应,得到偏侣酸钢的水溶液。
[0018] 在其中一个实施例中,在将所述混合物氮化的步骤中,所述氮气的流量为20升/分 钟~50升/分钟。
[0019] 在其中一个实施例中,所述拟薄水侣石凝胶中所述拟薄水侣石的质量百分含量为 5 ~30%。
[0020] 上述氮化侣粉体的制备方法通过采用拟薄水侣石凝胶、无机碳源和水溶性有机碳 作为原料,而拟薄水侣石凝胶本身在水中具有较好的分散性,加入水溶性碳源能够均匀混 合,能够实现原料的均匀混合,有利于后续氮化反应的完全,提高氮化侣粉体的纯度;通过 添加助烧剂促进氮化反应的进行,提高反应速率,降低氮化溫度,缩短反应时间,通过将还 原产物在600~720°C的条件下般烧3~10小时W去除还原产物中的碳,提高氮化侣的纯度, 从而得到纯度较高的氮化侣粉体。
【附图说明】
[0021 ]图1为一实施方式的氮化侣粉体的制备方法的流程图;
[0022] 图2为一实施方式的拟薄水侣石凝胶的制备方法的流程图。
【具体实施方式】
[0023] 为了便于理解本发明,下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中 给出了本发明的较佳的实施例。但是,本发明可许多不同的形式来实现,并不限于本文 所描述的实施例。相反地,提供运些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透 彻全面。
[0024] 除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的 技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具 体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语"及/或"包括一个或多个相 关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0025] 如图1所示,一实施方式的氮化侣粉体的制备方法,包括如下步骤:
[00%]步骤S110:将拟薄水侣石凝胶、无机碳源、水溶性有机碳源和助烧剂混合,得到混 合物。
[0027]其中,拟薄水侣石凝胶的质量百分含量为5~30%。拟薄水侣石凝胶可通过市面购 买得到,也可W通过制备得到。如图2所示,拟薄水侣石凝胶的制备方法如下:
[00%]步骤S210:将氨氧化侣和氨氧化钢于水中反应,得到偏侣酸钢的水溶液。
[0029] 将氨氧化侣和氨氧化钢于水中反应的步骤为:按照体积质量比为10毫升:2克~6 克,将氨氧化侣加入质量百分浓度为10~40%的氨氧化钢的水溶液中,在90~110°C下揽拌 反应,得到偏侣酸钢的水溶液。即质量百分浓度为10~40%的氨氧化钢的水溶液的体积与 氨氧化侣的质量的比为10毫升:2克~6克。
[0030] 步骤S220:对偏侣酸钢的水溶液通入二氧化碳,得到拟薄水侣石凝胶。
[0031] 具体的,对偏侣酸钢的水溶液通入二氧化碳的步骤具体为:在25°C~60°C的条件 下,向偏侣酸钢的水溶液通入二氧化碳50~120分钟,接着加入氨水,直至pH值为10~12,继 续通入二氧化碳直至抑值为8.5~9.5,得到拟薄水侣石凝胶。其中,二氧化碳的流量为2~ 12NmVh〇
[0032] 其中,氨水的质量百分浓度为5~15 %。且氨水采用滴加的方式加入;滴加速率为3 ~5分钟1滴。
[0033] 其中,无机碳源选自碳黑、焦炭、木炭及石墨粉中的一种。
[0034] 其中,水溶性有机碳源选自薦糖、葡萄糖及糖慷中的一种。
[0035] 其中,无机碳源和水溶性有机碳源中的碳的摩尔量之和与拟薄水侣石凝胶中的侣 的摩尔量的比为1.5~6:1。
[0036] 其中,无机碳源和水溶性有机碳源中碳的摩尔比为1~3:1。
[0037] 其中,助烧剂选自氧化巧、氧化领及氧化锭中的至少一种。可W理解,助烧剂还可 W为氧化锭W外的其它稀±氧化物。
[0038] 其中,无机碳源、水溶性有机碳源和拟薄水侣石凝胶的质量之和与助烧剂的质量 比为 100:0.1 ~1.5。
[0039] 步骤S120:在氮气的气氛下,将混合物于1400~1700°C中氮化,得到还原产物。
[0040] 其中,步骤S120中,氮气的流量为20升/分钟~50升/分钟。
[0041 ] 其中,将混合物于1400~1700°C中氮化的时间为5~10小时。即氮化时间较短,降 低了能耗,有利于降低氮化侣粉体的制备成本。
[0042] 步骤S130:在有氧的条件下,将还原产物在600~720°C的条件下般烧3~10小时, 得到氮化侣粉体。
[0043] 其中,将还原产物在600~720°C的条件下般烧3~10小时W去除还原产物中的碳, 提高粉体的纯度。
[0044] 其中,将还原产物在600~720°C的条件下般烧3~10小时的步骤使用的装置为回 转炉、箱式炉或钢带炉。
[0045] 上述氮化侣粉体的制备方法通过采用拟薄水侣石凝胶、无机碳源和水溶性有机碳 作为原料,而拟薄水侣石凝胶本身在水中具有较好的分散性,加入水溶性碳源能够均匀混 合,能够实现原料的均匀混合,有利于后续氮化反应的完全,提高氮化侣粉体的纯度;通过 添加助烧剂促进氮化反应的进行,提高反应速率,降低氮化溫度,缩短反应时间,通过将还 原产物在600~720°C的条件下般烧3~10小时W去除还原产物中的碳,提高氮化侣的纯度, 从而得到纯度较高的氮化侣粉体。
[0046] 且同时由于上述制备方法采用的原料能够均匀混合,同时氮气能够与原料充分接 触,有利于降低氮化侣粉体的氧含量。
[0047] W下为具体实施例部分:
[004引实施例1
[0049] 本实施例的氮化侣粉体的制备过程如下:
[0050] (1)拟薄水侣石凝胶的制备:按照体积质量比为10毫升:4克,将氨氧化侣加入到质 量百分浓度为25%的氨氧化钢的水溶液中,并在100°C揽拌反应,得到偏侣酸钢的水溶液; 在40°C的条件下,向偏侣酸钢的水溶液中通入二氧化碳50分钟,中和至抑值为11,再按照3 分钟1滴的速率滴加质量百分浓度为5%的氨水,继续通入二氧化碳直至pH值为9,得到拟薄 水侣石的质量百分含量为25%的拟薄水侣石凝胶,其中,二氧化碳的通入流量为8Nm3A。
[0051] (2)将拟薄水侣石凝胶、无机碳源、水溶性有机碳源和助烧剂球磨混合,W使拟薄 水侣石凝胶、无机碳源、水溶性有机碳源和助烧剂混合均匀,得到混合物。其中,无机碳源为 碳黑;水溶性有机碳源为薦糖和葡萄糖的混合物;无机碳源和水溶性有机碳源中的碳的摩 尔量之和与拟薄水侣石凝胶中的侣的摩尔量的比为1.5:1;无机碳源和水溶性有机碳源碳 的摩尔比为1:1,助烧剂为氧化巧;无机碳源、水溶性有机碳源和拟薄水侣石凝胶的质量之 和与助烧剂的质量比为100:0.8。
[0052] (3)在氮气的气氛下,将混合物于氮化炉中1600°C中氮化10小时,其中,氮气的流 量为25升/分钟。
[0053] (4)在空气的气氛下,将还原产物在660°C的条件下于回转炉中般烧3小时W去除 还原产物中的碳,得到氮化侣粉体,将氮化侣粉体真空包装。
[0054] 将本实施例的氮化侣粉体干压成型,再经160(TC烧结得到基片。
[0055] 采用马尔文激光粒度仪测试本实施例的氮化侣粉体的粒径分布;采用LEC0公司氮 氧测试仪测试本实施例的氮化侣粉体的含氮量和含氧量;采用LEC0公司碳硫测试仪测试本 实施例的氮化侣粉体的含碳量;采用耐驰激光导热仪测试本实施例的氮化侣粉体制备基片 的热导率;采用Instro的材料试验机测试本实施例的氮化侣粉体制备基片的Ξ点抗弯强 度。其中,本实施例的氮化侣粉体的颗粒粒径、含氮量、含氧量、含碳量、制备基片的热导率 及强度见表1。
[0056] 实施例2
[0057] 本实施例的氮化侣粉体的制备过程如下:
[0058] (1)拟薄水侣石凝胶的制备:按照体积质量比为10毫升:2克,将氨氧化侣加入到质 量百分浓度为10 %的氨氧化钢水溶液中,在90 °C揽拌反应,得到偏侣酸钢的水溶液;在25 °C 的条件下,向偏侣酸钢的水溶液中通入二氧化碳120分钟,中和至抑值为10,再按照5分钟1 滴的速率滴加质量百分浓度为5 %的氨水,继续通入二氧化碳直至pH值为8.5,得到拟薄水 侣石的质量百分含量为5%的拟薄水侣石凝胶,其中,二氧化碳的通入流量为2Nm3A。
[0059] (2)将拟薄水侣石凝胶、无机碳源、水溶性有机碳源和助烧剂球磨混合,得到混合 物。其中,无机碳源为焦炭;水溶性有机碳源为葡萄糖;无机碳源和水溶性有机碳源中的碳 的摩尔量之和与拟薄水侣石凝胶中的侣的摩尔量的比为2:1;无机碳源和水溶性有机碳源 的摩尔比为1.5:1;助烧剂为氧化巧和氧化领的混合物;无机碳源、水溶性有机碳源和拟薄 水侣石凝胶的质量之和与助烧剂的质量比为100:0.1。
[0060] (3)在氮气的气氛下,将混合物于氮化炉中1650°C中氮化的时间为8小时,其中,氮 气的流量为30升/分钟。
[0061] (4)在空气的气氛下,将还原产物在620°C的条件下于箱式炉中般烧5小时W去除 还原产物中的碳,得到氮化侣粉体,将氮化侣粉体真空包装。
[0062] 将本实施例的氮化侣粉体干压成型,再经160(TC烧结得到基片。
[0063] 采用实施例1相同的测试方法,得到本实施例的氮化侣粉体的颗粒粒径、含氮量和 含氧量、含碳量及制备基片的热导率及强度见表1。
[0064] 实施例3
[0065] 本实施例的氮化侣粉体的制备过程如下:
[0066] (1)拟薄水侣石凝胶的制备:按照体积质量比为10毫升:6克,将氨氧化侣加入到质 量百分浓度为40%的氨氧化钢水溶液中,在11(TC揽拌反应,得到偏侣酸钢的水溶液;在60 °(:的条件下,向偏侣酸钢的水溶液中通入二氧化碳80分钟,中和至pH值为12,再按照3分钟1 滴的速率滴加质量百分浓度为10%的氨水,继续通入二氧化碳直至pH值为9.5,得到拟薄水 侣石的质量百分含量为30%的拟薄水侣石凝胶,其中,二氧化碳的通入流量为12Nm3A。
[0067] (2)将拟薄水侣石凝胶、无机碳源、水溶性有机碳源和助烧剂球磨混合,得到混合 物。其中,无机碳源为木炭和石墨粉的混合物;水溶性有机碳源为薦糖和糖慷的混合物;无 机碳源和水溶性有机碳源中的碳的摩尔量之和与拟薄水侣石凝胶中的侣的摩尔量的比为 3:1,有机碳源和水溶性有机碳源的摩尔比为6:1;助烧剂为氧化锭;无机碳源、水溶性有机 碳源和拟薄水侣石凝胶的质量之和与助烧剂的质量比为100:0.5。
[0068] (3)在氮气的气氛下,将混合物于氮化炉中1550°C中氮化的时间为10小时,其中, 氮气的流量为5升/分钟。
[0069] (4)在空气的气氛下将还原产物在650°C的条件下于回转炉中般烧3小时W去除还 原产物中的碳,得到氮化侣粉体,将氮化侣粉体真空包装。
[0070] 将本实施例的氮化侣粉体干压成型,再经160(TC烧结得到基片。
[0071] 采用实施例1相同的测试方法,得到本实施例的氮化侣粉体的颗粒粒径、含氮量和 含氧量、含碳量及制备基片的热导率及强度见表1。
[0072] 实施例4
[0073] 本实施例的氮化侣粉体的制备过程如下:
[0074] (1)拟薄水侣石凝胶的制备:按照体积质量比为10毫升:3克,将氨氧化侣加入到质 量百分浓度为20%的氨氧化钢水溶液中,在95°C揽拌反应,得到偏侣酸钢的水溶液;在50°C 的条件下,向偏侣酸钢的水溶液中通入二氧化碳100分钟,中和至抑值为11,再向其中滴入 质量百分浓度为15%的氨水,继续通入二氧化碳直至pH值为9,得到拟薄水侣石的质量百分 含量为20%的拟薄水侣石凝胶,其中,二氧化碳的通入流量为lONmVh。
[0075] (2)将拟薄水侣石凝胶、无机碳源、水溶性有机碳源和助烧剂球磨混合,得到混合 物。其中,无机碳源为碳黑、焦炭、木炭和石墨粉的混合物;水溶性有机碳源为葡萄糖、薦糖 和糖慷的混合物;无机碳源和水溶性有机碳源中的碳的摩尔量之和与拟薄水侣石凝胶中的 侣的摩尔量的比为6:1;无机碳源和水溶性有机碳源的摩尔比为3:1;助烧剂为氧化巧、氧化 锭和氧化领,质量比1:1;无机碳源、水溶性有机碳源和拟薄水侣石凝胶的质量之和与助烧 剂的质量比为100:1.5。
[0076] (3)在氮气的气氛下,将混合物于氮化炉中1500°C中氮化的时间为12小时,其中, 氮气的流量为50升/分钟。
[0077] (4)将还原产物在680°C的条件下于回转炉中般烧3小时W去除还原产物中的碳, 得到氮化侣粉体,将氮化侣粉体真空包装。
[0078] 将本实施例的氮化侣粉体干压成型,再经160(TC烧结得到基片。
[0079] 采用实施例1相同的测试方法,得到本实施例的氮化侣粉体的颗粒粒径、含氮量和 含氧量、含碳量及制备基片的热导率及强度见表1。
[0080] 对比例1
[0081 ]对比例1的氮化侣粉体的制备步骤为:
[0082]在氮气的气氛下,将金属侣在2000°C下般烧,得到粒径为2.4微米的氮化侣粉体。 将对比例1的的氮化侣粉体干压成型,再经160(TC烧结得到基片。
[0083] 采用实施例1相同的测试方法,得到对比例1的氮化侣粉体的颗粒粒径、含氮量和 含氧量、含碳量及制备基片的热导率及强度见表1。
[0084] 对比例2
[0085] 对比例2的氮化侣粉体的制备步骤为:
[0086] 将氨氧化侣与氣化物混合,在900°C下般烧3小时,得到多孔的活性氧化侣,将活性 氧化侣粉碎,再把粉碎后的活性氧化侣加入到水中配制成为悬浮液,然后在悬浮液中加入 氯化侣、碳粉进行凝胶化,经干燥、粉碎后通入氮气还原得到粒径为2.2微米的氮化侣粉体。 将对比例2的的氮化侣粉体干压成型,再经160(TC烧结得到基片。
[0087] 采用实施例1相同的测试方法,得到对比例2的本实施例的氮化侣粉体的颗粒粒 径、含氮量、含氧量、含碳量及制备基片的热导率及强度见表1。
[008引表1中分别为实施例1~6、对比例1和对比例2的氮化侣粉体的颗粒粒径、含氮量、 含氧量、含碳量及制备基片的热导率及强度。
[0089] 表1
[0090]
[0091] 从表1中可W看出,实施例1~4的氮化侣粉体的粒径的化0最大仅为2微米,含氮量 至少为32%,含氧量最多仅为1.1%,热导率至少为155w/m · k,S点抗弯强度至少为 400Mpa,而对比例1和对比例2的氮化侣粉体的含氮量仅为28%,且颗粒粒径较大,热导率和 Ξ点抗弯强度也远低于实施例1~4,显然,实施例1~4的氮化侣粉具有较小的颗粒粒径、较 高的含氮量、较低的含氧量、较高的热导率和较好的强度。
[0092] 且从表1中还可W看出,对比例1和2的氮化侣粉体的含碳量均为7(K)ppm,且含氧量 分别为1.5%和1.4%,而实施例1~4的氮化侣粉体的含碳量最多仅为3(K)ppm,且含氧量也 最多为1.1%,均远远低于对比例1和对比例2的氮化侣粉体的含碳量和含氧量,而含碳量和 含氧量越低说明氮化侣粉体的纯度越高,显然,实施例1~4的氮化侣粉体具有较高的纯度。
[0093] W上所述实施例的各技术特征可W进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实 施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要运些技术特征的组合不存 在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
[0094] W上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并 不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来 说,在不脱离本发明构思的前提下,还可W做出若干变形和改进,运些都属于本发明的保护 范围。因此,本发明专利的保护范围应W所附权利要求为准。
【主权项】
1. 一种氮化铝粉体的制备方法,其特征在于,包括如下步骤: 将拟薄水铝石凝胶、无机碳源、水溶性有机碳源和助烧剂混合,得到混合物; 在氮气的气氛下,将所述混合物于1400~1700 °C下还原氮化,得到还原产物; 在有氧的条件下,将所述还原产物在600~720 °C下煅烧3~10小时,得到氮化铝粉体。2. 根据权利要求1所述的氮化铝粉体的制备方法,其特征在于,所述无机碳源选自碳 黑、焦炭、木炭及石墨粉中的至少一种。3. 根据权利要求1所述的氮化铝粉体的制备方法,其特征在于,所述水溶性有机碳选自 蔗糖、葡萄糖及糖糠中的至少一种。4. 根据权利要求1所述的氮化铝粉体的制备方法,其特征在于,所述助烧剂选自氧化 钙、氧化钡及氧化钇中的至少一种。5. 根据权利要求1所述的氮化铝粉体的制备方法,其特征在于,所述无机碳源和所述水 溶性有机碳中的碳的摩尔量之和与所述拟薄水铝石凝胶中的铝的摩尔量的比为1.5~6:1。6. 根据权利要求1所述的氮化铝粉体的制备方法,其特征在于,所述无机碳源、所述水 溶性有机碳和所述拟薄水铝石凝胶的质量之和与所述助烧剂的质量的比为100:0.1~1.5。7. 根据权利要求1所述的氮化铝粉体的制备方法,其特征在于,还包括拟薄水铝石凝胶 的制备步骤: 将氢氧化铝和氢氧化钠于水中反应,得到偏铝酸钠的水溶液; 对所述偏铝酸钠的水溶液通入二氧化碳反应,得到拟薄水铝石凝胶。8. 根据权利要求7所述的氮化铝粉体的制备方法,其特征在于,将所述氢氧化铝和所述 氢氧化钠于水中反应的步骤为:按照体积质量比为10毫升:2克~6克,将所述氢氧化铝加入 质量百分浓度为1 〇~40 %的氢氧化钠的水溶液中,在90~110°C下搅拌反应,得到偏铝酸钠 的水溶液。9. 根据权利要求1所述的氮化铝粉体的制备方法,其特征在于,在将所述混合物氮化的 步骤中,所述氮气的流量为5升/分钟~50升/分钟。10. 根据权利要求1所述的氮化铝粉体的制备方法的制备方法,其特征在于,所述拟薄 水铝石凝胶中所述拟薄水铝石的质量百分含量为5~30%。
【文档编号】C01B21/072GK106082149SQ201610421672
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月15日 公开号201610421672.9, CN 106082149 A, CN 106082149A, CN 201610421672, CN-A-106082149, CN106082149 A, CN106082149A, CN201610421672, CN201610421672.9
【发明人】邱基华
【申请人】潮州三环(集团)股份有限公司
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