一种AlN粉体的制备方法与流程

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种制备aln粉体的方法。

背景技术：

氮化铝(aln)是iii-v族共价化合物，属于六方晶系纤锌矿结构晶型的类金刚石氮化物。其室温强度高(是al2o3的5倍以上)，热膨胀系数小，可以大幅度提高塑料和硅橡胶的导热率，是良好的耐热冲击材料；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；具有优良的电绝缘性，电阻率高达426ω·cm，介电性能良好，是大规模集成电路、半导体模块电路和大功率器件的理想散热材料和封装材料；具有良好的注射成形性能，用于复合材料，与半导体硅匹配性好，界面相容性好，可提高复合材料的机械性能和导热介电性能。近年来，受到了研究者和工业界的广泛关注。

氮化铝的主要合成方法有：1)al2o3碳热还原法；2)高温自蔓延法；3)水引发固相发应法；4)溶胶-凝胶法；5)化学气相沉积法；6)含aln键聚合物分解法；7)铝粉直接氮化法。其中，al2o3碳热还原法目前在工业生产中使用最为广泛，对其研究进行的比较深入。在该法中制备氮化铝粉体中常加入氧化钙、氟化钙、氧化钇等作为催化剂，其中加氟化钙更有效的降低活化能，提高反应速率。这种方法制备的氮化铝粉末纯度高，成形和烧结性能好，但合成温度高，反应时间长，粉体粒度较大。

komeya等人(synthesisofsphericalalnparticlesbygas-reduction-nitridationmethod,journaloftheeuropeanceramicsociety,2002,22,521–526)报道了一种合成球形aln颗粒的方法，在管式炉中，以球形al2o3颗粒为原料，以nh3和丙烷(c3h8)混合气为反应物气体，在1200～1500℃下进行还原硝化反应合成了球形aln颗粒，并且aln粉末的形态可由指定原料的形态来控制。但是，该方法使用的nh3/c3h8混合气体成本较高、危险系数大、所用气体易对设备进行腐蚀、反应温度达到1500℃，使得反应能耗高，成本大，不利于工业化生产。fukushima等人(kineticsofmicrowavesynthesisofalnbycarbothermal-reduction-nitridationatlowtemperature,theamericanceramicsociety,2018,doi:10.1111/jace.15903)利用微波辅助法，以al2o3:c摩尔比为1:10的混合物为原料，n2气氛中，在1200℃温度下成功合成出亚微米级aln颗粒。该方法虽然避免使用了成本较高的nh3气体，微波辅助法的引入使得反应温度降低，但是该方法由于波辅带来的辐射不利于生产者的健康。

综上所述，现有方法和技术虽然成功地制备了aln粉末，但存在对设备要求高、工艺过程不环保、制备温度较高、能耗大、产品粒度大、纯度低等不足，因此急需发明一种制备aln粉体的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有氮化铝合成中存在的合成温度高、反应时间长、工艺复杂、产品粒度大、纯度低等问题，提供一种在较低温度下制备高纯度aln粉体的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：按照al:n摩尔比为1:1～1:35，将铝源和氮源完全溶解于溶剂中，然后蒸干溶剂，所得固体混合物在焙烧气氛中500～1000℃焙烧1～9h，然后在空气气氛中200～750℃脱碳1～5h，得到高纯度aln粉体。

上述的铝源为水合氯化铝、乳酸铝、甘氨酸铝、硬酯酸铝、硝酸铝、碳酸铝、异丙醇铝、醋酸铝、碱式乙酸铝中任意一种，优选水合氯化铝、乳酸铝、甘氨酸铝、硬酯酸铝中任意一种。

上述的氮源为盐酸胍、乙酸胍、壳聚糖、1,10-邻菲罗啉、尿素、三聚氰胺、硝酸铵、氯化铵中任意一种，优选盐酸胍、乙酸胍、壳聚糖、1,10-邻菲罗啉中任意一种。

上述的溶剂为去离子水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、丙酮、乙醚、苯、甲苯中任意一种，优选去离子水、甲醇、乙醇中任意一种。

上述制备方法中，优选铝源和氮源中al:n的摩尔比为1:5～1:20。

上述制备方法中，所述焙烧气氛为氮气、氨气、氦气、氩气中任意一种或两种。

上述制备方法中，所得固体混合物优选在焙烧气氛中800～900℃焙烧1～3h。

上述制备方法中，优选在空气气氛中550～700℃脱碳3～5h。

上述制备方法中，所得aln粉体的粒径分布范围在5～20nm。

本发明所用原料廉价易得，制备方法简单，反应温度较低，环境友好，且制备的aln粉体纯度高，具有工业化应用前景。

附图说明

图1是实施例1制备的aln粉体的xrd图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。

水合氯化铝(化学式，alcl3·6h2o)，cas号：7784-13-6。

乳酸铝(分子式，c9h15alo9)，cas号：18917-91-4。

硬酯酸铝(分子式，c54h105alo6)，cas号：637-12-7。

甘氨酸铝(分子式，c2h6alno4)，cas号：13682-92-3。

盐酸胍(分子式，ch6cln3)，cas号：50-01-1。

乙酸胍(分子式，c3h7n3o2)，cas号：352-97-6。

1,10-邻菲罗啉(分子式，c12h8n2)，cas号：66-71-7。

壳聚糖(分子式，c6h11no4x2)，cas号：9012-76-4。

乙醇(分子式，c2h6o)，cas号：64-17-5。

甲醇(分子式，ch4o)，cas号：67-56-1。

实施例1

按照al:n摩尔比为1:18，分别称取2.4143g(0.01mol)alcl3·6h2o和5.7318g(0.06mol)盐酸胍充分溶解于15ml乙醇中，然后在80℃下蒸干乙醇，将所得固体混合物在氮气气氛中800℃焙烧2h，然后在空气气氛中550℃脱碳3h，自然冷却至常温，得到aln粉体。

由图1可见，所得aln粉体的xrd衍射峰与标准衍射峰一致，表明所制备aln的纯度高。在2θ值为33°的衍射峰位置利用debye-scherrer公式计算出aln晶体的尺寸为9.4nm，即表示在33°垂直方向晶体的粒径平均值。

实施例2

按照al:n摩尔比为1:24，分别称取2.4143g(0.01mol)alcl3·6h2o和7.6424g(0.08mol)盐酸胍充分溶解于15ml甲醇中，然后在70℃蒸干甲醇，将所得固体混合物在氮气气氛中800℃焙烧2.5h，然后在空气气氛中550℃脱碳1h，自然冷却至常温，得到晶体尺寸为8.6nm的aln粉体。

实施例3

按照al:n摩尔比为1:15，分别称取2.4143g(0.01mol)alcl3·6h2o和5.8555g(0.05mol)乙酸胍充分溶解于15ml去离子水中，然后在100℃蒸干去离子水，将所得固体混合物在氨气与氦气体积比为1:9的混合气氛中850℃焙烧1h，然后在空气气氛中550℃脱碳3h，自然冷却至常温，得到晶体尺寸为15.9nm的aln粉体。

实施例4

按照al:n摩尔比为1:18，分别称取2.9419g(0.01mol)乳酸铝和5.7318g(0.06mol)盐酸胍充分溶解于15ml乙醇中，然后在80℃蒸干乙醇，将所得固体混合物在氮气气氛中800℃焙烧3h，然后在空气气氛中650℃脱碳2h，自然冷却至常温，得到晶体尺寸为9.2nm的aln粉体。

实施例5

按照al:n摩尔比为1:27，分别称取2.9419g(0.01mol)乳酸铝和10.5399g(0.09mol)乙酸胍充分溶解于15ml甲醇中，然后在70℃蒸干甲醇，将所得固体混合物在氨气与氦气体积比为1:9的混合气氛中900℃焙烧2h，然后在空气气氛中550℃脱碳1h，自然冷却至常温，得到晶体尺寸为19.7nm的aln粉体。

实施例6

按照al:n摩尔比为1:1，分别称取2.9419g(0.01mol)乳酸铝和1.6116g(0.01mol)壳聚糖分溶解于15ml去离子水中，然后在100℃蒸干去离子水，将所得固体混合物在氨气与氮气体积比为2:98的混合气氛中850℃焙烧1h，然后在空气气氛中600℃脱碳2h，自然冷却至常温，得到晶体尺寸为17.6nm的aln粉体。

实施例7

按照al:n摩尔比为1:30，分别称取8.7740g(0.01mol)硬脂酸铝和9.5530g(0.10mol)盐酸胍充分溶解于25ml去离子水中，然后在100℃蒸干去离子水，将所得固体混合物在氨气与氮气体积比为2:98的混合气氛中900℃焙烧3h，然后在空气气氛中600℃脱碳4h，自然冷却至常温，得到晶体尺寸为20.0nm的aln粉体。

实施例8

按照al:n摩尔比为1:27，分别称取8.7740g(0.01mol)硬脂酸铝和10.5399g(0.09mol)乙酸胍充分溶解于30ml去离子水中，然后在100℃蒸干去离子水，将所得固体混合物在氨气与氮气体积比为2:98的混合气氛中900℃焙烧3h，然后在空气气氛中700℃脱碳4h，自然冷却至常温，得到晶体尺寸为10.0nm的aln粉体。

实施例9

按照al:n摩尔比为1:18，分别称取3.4515g(0.01mol)甘氨酸铝和5.7318g(0.06mol)盐酸胍充分溶解于15ml乙醇中，然后在80℃蒸干乙醇，将所得固体混合物在氮气气氛中800℃焙烧2h，然后在空气气氛中600℃脱碳2h，自然冷却至常温，得到晶体尺寸为7.6nm的aln粉体。

实施例10

按照al:n摩尔比为1:10，分别称取3.4515g(0.01mol)甘氨酸铝和9.0105g(0.05mol)1,10-邻菲罗啉充分溶解于15ml甲醇中，然后在70℃蒸干甲醇，将所得固体混合物在氨气与氮气体积比为2:98的混合气氛中800℃焙烧3h，然后在空气气氛中650℃脱碳3h，自然冷却至常温，得到晶体尺寸为10.3nm的aln粉体。