水热法制备纳米AlN粉体的方法和其中间体及产品与流程

本发明涉及一种纳米氮化铝AlN粉体的制备方法，属于材料科学技术领域。

背景技术：

氮化铝是一种具有优良综合性能的陶瓷材料，其高热导率、低介电常数、优良的电绝缘性能、耐腐蚀以及与硅相匹配的线膨胀系数等特点，使它已经替代氧化铝成为现今最理想的基板材料和电子器件封装材料。氮化铝是一种典型的共价化合物，其扩散系数小，加上表层氧化铝膜的保护作用，导致很难在温度低于1900℃条件下制备出致密的AlN陶瓷。虽然可以通过添加合适的烧结助剂，利用液相烧结来降低AlN陶瓷烧结温度，但引入的第二相会对AlN陶瓷的热导率产生负面影响。除了添加适量烧结助剂，粉体的原始粒度与颗粒尺寸分布也能显著降低AlN陶瓷的烧结温度外。采用粒径细小的粉体为原料，将有助于缩短原子扩散距离、增加陶瓷烧结推动力，从而加速AlN陶瓷烧结的致密化过程。因此，粒径细小、分散均匀的纳米级AlN原料粉体能有效促进AlN陶瓷的烧结，同时避免引入第二相，不会对陶瓷的热导率产生负面影响，具有广阔的应用前景。

目前生产AlN粉体的主要方法是碳热还原法和直接氮化法。与直接氮化法相比，碳热还原法因为其原料丰富、工艺过程简单，合成的粉体纯度高、粒径小且分布均匀等优点，在工业生产有着更广泛的应用。目前，以微米级氧化铝粉体为原料，通过碳热还原法已经实现了高品质微米级AlN粉体的规模化生产。碳热反应过程中，AlN的颗粒尺寸主要取决于氧化铝的颗粒尺寸，如何得到纳米级的AlN粉体是亟待解决的问题。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供了一种水热法制备纳米AlN(氮化铝)粉体的方法，该方法条件温和、能够得到平均粒径小于100nm且颗粒形貌优良的纯相纳米AlN粉体。

所述水热法制备纳米AlN粉体的方法，其特征在于，采用水热处理将铝源、碳源和沉淀剂制备得到前驱体，前驱体经煅烧及后处理制备得到所述纳米AlN粉体。

优选地，所述前驱体具有包覆结构，所述包覆结构是指含铝元素的核心被碳包覆。所述含铝元素的核心通过被含碳元素的包覆物包覆的方式得以高度分散(纳米尺度)，并有效避免了煅烧及后处理过程中的烧结问题。本申请技术方案得到的纳米AlN粉体粒径小于100nm且粒径分布集中。

进一步优选地，所述铝元素的核心的直径范围为30nm～60nm。

优选地，所述水热处理温度为180～220℃，水热处理时间为6～24小时。进一步优选地，所述水热处理时间为8～20小时。更进一步优选地，所述水热处理时间为10～14小时。作为一个具体的实施方式，所述水热处理时间为12小时。

优选地，所述铝源为硝酸铝、氯化铝、异丙醇铝、硫酸铝、醋酸铝中至少一种。

进一步优选所述铝源为硝酸铝、氯化铝、异丙醇铝中至少一种。

优选地，所述碳源为可溶性的单糖或双糖

更进一步优选地，所述碳源为葡萄糖、蔗糖、果糖，乳糖中至少一种。

优选地，所述沉淀剂为尿素或氨水。

优选地，所述原料中铝源、碳源和沉淀剂的摩尔比Al：C：沉淀剂＝1：3～6：2～4。

优选地，所述后处理为在600～800℃的空气气氛中保温2～4小时。

进一步优选地，所述后处理为在650～750℃的空气气氛中保温2～4小时。

优选地，所述方法至少包括以下步骤：

a)将铝源、碳源和沉淀剂溶解于溶剂，形成铝源浓度为0.5～3.0mol/L的初始混合物I；

b)将步骤a)得到的初始混合物I转入水热釜中，在180～220℃温度下水热处理6～24小时，得到前驱体；

c)将步骤b)得到的前驱体与氮气气氛下、1300～1600℃煅烧2～5小时，得到粉体I；

d)将步骤c)得到的粉体I在600～800℃的空气气氛中保温2～4小时，得到所述纳米AlN粉体。

进一步优选地，所述步骤a)中，铝源、碳源和沉淀剂的摩尔比Al：C：沉淀剂＝1：3～6：2～4。本申请中，所述铝源、碳源和沉淀剂的摩尔比，是指铝源中铝原子的摩尔数、碳源中碳原子的摩尔数和沉淀剂分子的摩尔数之比。

优选地，所述步骤a)为先将铝源溶解于溶剂，形成铝源浓度为0.5～3.0mol/L的溶液I，再将碳源加入溶液I中，得到溶液II，再将沉淀剂加入溶液II中，得到初始混合物I。

优选地，所述步骤b)为将步骤a)得到的初始混合物I转入水热釜中，在180～220℃温度下水热处理10～14小时，经过抽滤及干燥后，得到前驱体。

进一步优选地，所述步骤c)为将步骤b)得到的前驱体在氮气气氛下、1300～1600℃煅烧2～4小时，得到粉体I。

作为一个优选的实施方式，所述方法至少包括以下步骤：

a1)将铝源溶解于溶剂，形成铝源浓度为0.5～3.0mol/L的溶液I；

a2)将碳源加入步骤a1)得到的溶液I中，得到溶液II；

a3)将沉淀剂加入步骤a1)得到的溶液II中，得到初始混合物I；

b)将步骤a3)得到的初始混合物I转入水热釜中，在180～220℃温度下水热处理6～24小时，得到前驱体；

c)将步骤b)得到的前驱体与氮气气氛下、1300～1600℃煅烧2～5小时，得到粉体I；

d)将步骤c)得到的粉体I在600～800℃的空气气氛中保温2～4小时，得到所述纳米AlN粉体。

根据本申请的又一个方面，提供了一种包覆结构材料，为上述任一方法制备得到的所述前驱体，该包覆结构材料通过水热法制备得到，用于制备纳米AlN粉体，可获得粒径小于100nm且颗粒形貌优良的纯相纳米AlN粉体。所述包覆结构材料包括含铝元素的核心和碳包覆，所述核心的直径范围为30nm～60nm。

根据本申请的又一个方面，提供了一种纳米AlN粉体，由上述任一方法制备得到和/或上述包覆结构材料作为前驱体制备得到，其特征在于，所述纳米AlN粉体为纯相AlN粉体，所述纳米AlN粉体平均粒径小于100nm。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的方法，合成条件温和、原料广泛易得、工艺简单，制备了纯度高、粒径分布范围窄、烧结活性好的纳米AlN粉体。

2)本申请所提供的纳米AlN粉体，具有平均粒径小于100nm，烧结活性好的优势。

3)本申请所提供的包覆结构材料，能有效降低制备AlN粉体的反应温度及阻止氧化铝晶粒长大，制得粒径分布范围窄、烧结活性好的纳米AlN粉体。

附图说明

图1为本申请一种实施方式制备得到的前驱体的透射电镜照片。

图2为本申请制备得到的纳米AlN粉体粉末X射线衍射谱图。

图3为本申请一种实施方式制备得到的纳米AlN粉体扫描电镜照片。

图4为本申请一种实施方式制备得到的纳米AlN粉体扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。

本申请的实施例中分析方法如下：

利用FEI公司的Tecnai G2F20型TEM进行前驱体表征分析。

利用Rigaku公司的Miniflex600型X射线衍生仪进行XRD表征分析。

利用Hitachi公司的SU8010型扫描电镜获得扫描电镜图。

实施例1

首先称取0.1mol硝酸铝溶解于100ml去离子水中，再将0.2mol的尿素以及0.05mol的蔗糖加入上述溶液，搅拌混合均匀后，将溶液移入水热釜中。将水热釜升温到200℃保温12h，冷却到室温后取出。水热溶液的沉淀物经过抽滤，干燥后，得到棕色的前驱体，透射电镜图表明其微结构为包覆结构，见图1，图中箭头所指为含铝元素的核心。将上述棕色前驱体研磨后装入石墨坩埚，在流动氮气气氛中高温管式炉中，以5℃/min～10℃/min的升温速度升至1500℃保温3h得到黑色的粉体，将上述黑色粉体置于马弗炉中，以5℃/min的升温速度到700℃保温2h进行除碳即得灰白色粉体。X射线衍射检测结果表明粉体产物为纯AlN相(见图2)，扫描电镜图表明其平均粒径约80nm，其中粒径分布在60nm-100nm内占80％以上(见图3)。

实施例2～5

操作同实施例1，原料及反应参数见表1。实施例2～5得到的产物的X射线衍射检测结果同实施例1一致(见图2)，扫描电镜图表明其粒径为纳米级且粒径分布范围窄。其中实施例2得到的扫描电镜图见图4。

表1

对比例1

原料、反应参数及操作同实施例1，只是没有水热处理得到前驱体的过程，将溶液升温到100℃保温12h，冷却到室温后得到的前驱体直接抽滤干燥后煅烧及后处理，得到的粉体平均粒径大于300nm，且粒径分布范围宽。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。