专利名称：一种六方相纳米氮化铝粉体的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种六方相纳米氮化铝粉体的制备方法，更确切地说从普通金属铝粉制备纳米氮化铝粉体的方法，属于纳米材料领域。
背景技术：
氮化铝具有很高的热导系数(六方相为170-260W m-1K-1)，而且硬度大，具有优良的绝缘性能，低膨胀系数，对熔融金属和盐类有优异抗浸蚀性，因此被认为是一种具有广泛应用前景的无机材料，既可以做为电子绝缘基片材料和微电子封装材料，又是大功率和高温器件的可选材料。
氮化铝粉体的纯度，粒径大小和分布以及比表面积与烧结性和所得的氮化铝陶瓷制品的性质都有极其密切的关系，因此，研究和探求颗粒尺寸小、纯度高的氮化铝粉体的制备方法具有很重要的意义。目前工业上生产氮化铝的主要方法是氧化铝粉碳热还原法和金属铝粉直接氮化法。碳热还原法得到的粉体尺寸较均匀，但反应温度要求极高，一般在1600～1800℃，且需二次氧化除去多余的碳，生产成本高。相比之下，直接氮化法简单廉价，但其缺点是高温(常达到1500℃)和氮化反应放出的热量使铝粉熔化，难以得到超细氮化铝粉体。另外铝粉表面形成的氮化铝保护层会阻碍反应的进行，因此需要研磨等中间步骤，以使铝粉氮化完全，这导致杂质的浓度大大提高。
近年来，国内外学者研制出一些新方法对直接氮化法加以改进，例如悬浮氮化法(A.J.Chang et al.，J. Am.Ceram.Soc.，1995，78[1]，33-40)，铝蒸气与氨气的气相反应法，(S.E.Pratsinis et al.，J. Mater.Res.，1995，10[3]512-20)，和加入金属锂添加剂(K.Komeya et al.，J. Ceram.Soc.Jap.，1993，101[12]1319-23)等。但有些方法不适用于工业生产，有些在技术上还存在障碍。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的直接氮化法制备氮化铝的缺点，而提供一种从普通金属铝粉制备纳米晶氮化铝粉体的方法。
本发明的目的是这样实施的以普通金属铝粉(100～200目)为起始原料，加入氯化铵和氯化钾作为添加剂，质量比为铝粉∶氯化铵∶氯化钾＝1∶0.5∶0.5～1∶1.5∶1.5，以丙酮为介质，球磨混合32～48小时，然后在80～100℃烘干，得到铝粉和添加剂均匀混合的粉末。将此粉末放入氧化铝舟中，装入管式气氛炉，通入氨气驱除管内空气。通氨气一小时后，升温至1000～1200℃，保持氨气流量为0.5～5升/分钟，升温速率为如下室温～600℃10℃/分钟，600℃～800℃7℃/分钟，800℃以后5℃/分钟。在此温度下，保温5小时以上。然后，在流动氨气或氮气保护下，自然冷却至室温，得到纳米氮化铝粉体。可通过反应温度控制纳米氮化铝的粒径和氮化速度；通过控制氮化保温时间控制纳米氮化铝的纯度；通过控制氨气流速来缩短反应时间。反应温度越高，粉体的粒径越大，完全氮化的时间越短；保温时间越长，所得粉体的纯度越高；氨气的流速越大，反应进行得越快。所以这三个参数的选择均对反应后的粒径、产量有至关重要的影响，合理选择这三个参数，使之有机匹配是很重要的。
反应过程如下
(1)(2)(3)总反应为(4)本发明提供的纳米氮化铝的制备方法的特点是(1)采用100～200目普通金属铝粉为铝源，加入适当的添加剂，在流动氨气中高温下直接氮化制备纳米氮化铝粉体；(2)采用氯化铵和氯化钾作为添加剂，降低氮化温度，并抑制粉体颗粒长大和团聚，且添加剂在产品中无残留；(3)采用氨气为反应气体，得到的氮化铝粉体纯度高于95％；(4)对原料要求低，生产工艺简单，可以利用现有的直接氮化法生产氮化铝的设备，生产成本低。
图1 纳米氮化铝粉体制备的工艺流程2 1000℃氮化5小时所得氮化铝粉体的X射线衍射3 1000℃氮化5小时所得氮化铝的透射电镜和选区衍射照片
具体实施例方式
用下列非限定性实施例进一步说明实施方式及效果实施例1取铝粉(100～200目)3g，氯化铵和氯化钾作为添加剂，其质量比为铝粉∶氯化铵∶氯化钾＝1∶0.8∶0.8，粉体质量10倍的5mm不锈钢小球，丙酮100ml，装于球磨罐中，球磨48小时，得到膨松的混合粉体，将其在80℃烘干。将得到的混合粉末放入氧化铝舟中，装入管式气氛炉，通入氨气，氨气流量为3～5升/分钟，以驱除管中空气。一个小时后，将氨气流量降低并保持在0.6升/分钟，升温至1000℃。升温速率如下室温～600℃10℃/分钟，600～800℃7℃/分钟，800～1000℃5℃/分钟。在1000℃保温5小时，然后，在流动氨气下，自然冷却至室温。得到纳米氮化铝。图2为本实施例制备的纳米氮化铝的X射线衍射图，说明生成的是六方相氮化铝，且未发现Al2O3和AlON的衍射峰，氮化铝粉体的纯度在95％以上。图3为其透射电镜照片，表明其颗粒平均尺寸为13.5nm。选区衍射照片说明生成的氮化铝粉体为多晶。
实施例2按实施例1的方法制备纳米氮化铝，铝粉∶氯化铵∶氮化钾＝1∶1.2∶1.2(质量比)反应温度为1200℃，得到纳米氮化铝粉体。本实施例表明在1200℃氨气氮化5小时条件下制备的纳米氮化铝粉体的纯度在95％以上，颗粒尺寸为20～45nm，说明随氮化温度升高，氮化铝颗粒长大。
实施例3按实施例1的方法制备纳米氮化铝，反应温度为1100℃，反应时间分别为3小时和5小时。当仅氮化3小时后，得到的纳米氮化铝中含有痕量的Al2O3和AlON。在氮化5小时后，Al2O3和AlON杂质峰消失。表明氮化时间应大于或等于5小时，才能保证所得氮化铝的纯度。1100℃反应5个小时所得氮化铝粉体一次团聚颗粒的尺寸小于100nm。
权利要求
1.一种六方相纳米氮化铝粉体的制备方法，其特征在于(1)采用普通金属铝粉为铝源，加入氯化铵和氯化钾添加剂，制成均匀的混合粉体；(2)在流动氨气气氛下，将混合粉体直接氮化。
2.按照权利要求1所述制备六方相纳米氮化铝粉体的方法，其特征在于普通金属铝粉的粒度为100～200目，纯度大于99％；添加剂氯化铵和氯化钾添加剂的纯度大于99.5％。
3.按照权利要求1所述制备六方相纳米氮化铝粉体的方法，其特征在于，铝粉与添加剂的质量比为铝粉∶氯化铵∶氯化钾＝1∶0.5∶0.5～1∶1.5∶1.5，球磨混合时介质为丙酮，粉球质量比为1∶8～1∶10，球磨时间为32～48小时。
4.按照权利要求1或3所述制备六方相纳米氮化铝粉体的方法，其特征在于，所述的普通铝粉与添加剂混合粉体直接氮化的工艺参数为(1)氮化温度为1000～1200℃；(2)氮化时间为大于或等于5小时；(3)氨气流量为0.5～5升/分钟。
5.按照权利要求4所述制备六方相纳米氮化铝粉体的方法，其特征在于(1)氮化升温速率为 室温～600℃10℃/分钟，600℃～800℃7℃/分钟，800℃以后5℃/分钟；(2)在流动氨气或氮气保护下，自然冷却至室温。
全文摘要
本发明提供了一种以普通金属铝粉(100～200目)为原料制备六方相纳米氮化铝粉的方法。主要是利用氯化铵和氯化钾为添加剂，在流动的氨气中1000～1200℃下氮化5小时以上，得到平均粒径为13.5nm、一次团聚颗粒的平均粒径为33nm的纳米晶氮化铝粉体。添加剂能降低氮化温度和抑制颗粒长大，且无残留。氨气作为原料气体，保证所得氮化铝粉体具有较高的纯度。本方法具有工艺简单、生产成本低和可大规模生产等特点。
文档编号C01B21/072GK1513756SQ0312958
公开日2004年7月21日 申请日期2003年6月27日 优先权日2003年6月27日
发明者高濂, 邱羽, 高 濂 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所