一種氮化鋁陶瓷粉體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于一種陶瓷粉體制備工藝【技術領域】，涉及一種超高純度氮化鋁粉體的制備方法。該技術的步驟是：金屬鋁水解-Al源和C源的混合料漿-料漿凝膠化-凝膠體干燥、粉碎-凝膠粉體碳熱還原氮化處理-除碳處理。本發(fā)明利用高純鋁的水解反應，獲得氧化鋁前驅體，利用高純蔗糖為C源，采用凝膠固相法結合碳熱還原氮化工藝，通過Al源和C源純度的控制及非空氣氧化氣氛除碳工藝處理，獲得純度高達99.99％的超高純度、高燒結活性氮化鋁粉體。本發(fā)明可以獲得超高純度、高燒結活性的氮化鋁粉體，可滿足激光武器及微電子技術等領域對氮化鋁粉體的超高純度要求。
【專利說明】一種氮化鋁陶瓷粉體的制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于一種陶瓷粉體制備工藝【技術領域】，涉及一種超高純度氮化鋁粉體的制備方法。

【背景技術】
[0002]氮化鋁(A1N)是繼第一代Ge、Si半導體、第二代GaAs、InP、GaP化合物半導體之后發(fā)展起來的第三代半導體材料。它是一種六方纖鋅礦結構的III族氮化物，由于具有禁帶寬度大(6.2eV)、擊穿電場高(14MV/cm)、電子遷移速度大(300cm2/Vs)、熱導率高(260W/m.K)等優(yōu)良特性以及良好的化學、熱穩(wěn)定性和抗輻射能力，是制作高頻、高溫、高壓、大功率電子器件的理想基礎材料。特別是相比于現有的GaAs或InP基器件，A1N基THz發(fā)射源能提供更大功率和更高頻率。因此，為提高太赫茲量子級聯(lián)激光器、高電子遷移率晶體管、肖特基二極管等核心器件的性能，特別是高溫、高頻(太赫茲頻段)、大功率輸出等，較成熟的S1、GaAs材料體系不能滿足要求；而以氮化物(如AIN、GaN)為代表的材料體系就成為發(fā)展趨勢。這些核心器件的實現需要高純度的AIN、GaN等基礎材料，它們成為太赫茲量子級聯(lián)激光器、高電子遷移率晶體管、肖特基二極管等核心器件性能提升的基礎。為保證A1N基THz發(fā)射源在太赫茲成像雷達中的應用效果，對其中的核心材料——高純A1N薄膜及其高致密A1N陶瓷(靶材)提出了更高的技術要求:一方面，要求A1N薄膜具有極高的純度(彡99.995% )和特定的化學計量比(N原子比彡50% );另一方面，靶材成分及結構直接關系到沉積薄膜的質量，要求A1N靶材具有極高的純度(> 99.999% )和高致密度(彡 98% )。
[0003]為了獲得高純、高致密A1N靶材，高純、高燒結活性A1N粉體的獲得是關鍵。目前，合成A1N粉體最常用的方法主要有鋁粉直接氮化法和碳熱還原法。鋁粉直接氮化法在鋁粉直接氮化過程中，鋁粉表面氮化形成的氮化鋁膜會使其進一步氮化變得困難，從而造成氮化不完全的問題。而且，鋁粉原料表面形成的氧化鋁膜容易帶入0雜質，影響A1N粉體的純度。又因為氮化鋁極易被氧化，所以，要獲得超高純度的A1N粉體，首先必須將A1源碳熱還原，除去其中的0元素。其次，必須在非空氣氧化氣氛下進行除碳處理，防止氮化鋁的氧化。目前已有的碳熱還原技術制備的氮化鋁粉體無法達到超高純度的要求。如201010527703.1 “一種共沉淀-碳熱還原制備氮化鋁粉末的方法”，此方法中采用硫酸鋁按為鋁源，碳黑為碳源，通過加入沉淀劑碳酸氫銨獲得前驅物，前驅物碳熱還原氮化后在一定條件下脫碳處理。200810229583.X“一種高純超細氮化鋁粉體的高分子網絡制備方法”。此方法中，通過采用硝酸鋁作為鋁源、蔗糖為碳源，經碳熱還原氮化后，在空氣中進行除碳處理。以上方法中均無法獲得純度高達99.99%的超高純度氮化鋁粉體，無法滿足激光武器及微電子技術等領域對氮化鋁粉體的超高純度要求。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出一種純度高、燒結活性高的氮化鋁陶瓷粉體的制備方法。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:該方法的操作步驟如下:
[0006](I)金屬鋁水解
[0007]將純度高達99.99%的金屬鋁置于燒杯中，加入純水，鋁和純水的質量比為1:2-1:5,加熱水溫至800C -150°C，同時進行快速攪拌處理，使金屬鋁與水發(fā)生水解反應，攪拌時間為1-5小時，直到反應完全，得到鋁的水解料漿；
[0008](2)混合料漿制備
[0009]在上述水解料漿中按配比加入純度高達99.99%的蔗糖，金屬鋁與蔗糖的摩爾比為1:0.1-1:5，蔗糖溶解后攪拌均勻得到Al源和C源的均勻混合料漿；
[0010](3)料漿凝膠化
[0011]在上述混合料漿中依次加入有機單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑，有機單體是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交聯(lián)劑是亞甲基雙丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸，有機單體和交聯(lián)劑的質量比例在10:1-30:1之間選取，有機單體和交聯(lián)劑的總加入量為純水量的5-30%，弓丨發(fā)劑為過硫酸銨，加入量為有機單體的0.2-0.6%，攪拌均勻后置于烘箱中加熱，加熱溫度在50-100°C之間，加熱時間為10-20分鐘，得到濕凝膠體；
[0012](4)凝膠體干燥、粉碎
[0013]將濕凝膠體切成小塊后放入烘箱中干燥，干燥溫度為80-120°C之間，干燥時間為10-15小時,將干燥后的凝膠塊在行星磨中進行球磨粉碎,獲得凝膠粉體；
[0014](5)碳熱還原氮化
[0015]將上述凝膠粉體置于N2氣氛爐中，在N2氣氛下進行煅燒，讓凝膠粉體進行碳熱還原氮化反應，煅燒溫度為1000°c -1600°c，保溫時間為5-10小時；
[0016](6)除碳處理
[0017]將上述碳熱還原氮化反應后的粉體置于CO2氣氛爐中，在CO2氣氛下進行二次煅燒，脫除多余的C，煅燒時間為600°C-100(TC，保溫時間為5-15小時，充分除碳處理后得到氮化鋁陶瓷粉體。
[0018]所采用金屬鋁作為鋁源，利用金屬鋁的水解特性獲得Al2O3前驅體，蔗糖作為C源。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0020]第一，本發(fā)明通過合成氮化鋁粉體過程中Al源和C源純度的控制，保證合成粉體的超高純度(99.99%) ο
[0021]第二，本發(fā)明采用高純度金屬鋁為原料，與其他高純鋁源相比，99.99%高純金屬鋁來源廣泛，成本低廉。
[0022]第三，本發(fā)明采用蔗糖為C源，蔗糖極易溶于水，因此，C源是以分子的形式存在于混合料漿中，通過攪拌可與Al水解得到的Al2O3前驅體充分且均勻混合，有利于Al源和碳源的充分反應。
[0023]第四，本發(fā)明采用凝膠固相合成法，通過加入單體、交聯(lián)劑及引發(fā)劑，使鋁源和碳源的混合料漿在加熱條件下形成凝膠，凝膠的形成使鋁源和碳源得到固定并充分接觸，有利于碳熱還原反應的快速進行和反應完全。
[0024]第五，本發(fā)明采用CO2進行除碳處理，由于CO2的氧化能力比O2弱，在高溫下只能與一次煅燒后粉體中殘余的C反應，而不會氧化AlN粉體，從而保證了 AlN的超高純度。如果直接在空氣中除碳處理，空氣中的O2不僅和C反應，還會與一次煅燒后生成的AlN粉體發(fā)生反應，帶入O雜質。
[0025]第六，本發(fā)明所使用設備都為通用設備，操作過程簡單。
[0026]第七，本方法制備的氮化鋁陶瓷粉體純度可高達99.99%。

【具體實施方式】
[0027]下面對本發(fā)明做進一步詳細說明。一種氮化鋁陶瓷粉體的制備方法，該方法的操作步驟如下:
[0028]1、一種氮化鋁陶瓷粉體的制備方法。
[0029]該方法的操作步驟如下:
[0030](I)金屬鋁水解
[0031]將純度高達99.99%的金屬鋁置于燒杯中，加入純水，鋁和純水的質量比為1:2-1:5,加熱水溫至800C -150°C，同時進行快速攪拌處理，使金屬鋁與水發(fā)生水解反應，攪拌時間為1-5小時，直到反應完全，得到鋁的水解料漿；
[0032](2)混合料漿制備
[0033]在上述水解料漿中按配比加入純度高達99.99%的蔗糖，金屬鋁與蔗糖的摩爾比為1:0.1-1:5，蔗糖溶解后攪拌均勻得到Al源和C源的均勻混合料漿；
[0034](3)料漿凝膠化
[0035]在上述混合料漿中依次加入有機單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑，有機單體是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交聯(lián)劑是亞甲基雙丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸，有機單體和交聯(lián)劑的質量比例在10:1-30:1之間選取，有機單體和交聯(lián)劑的總加入量為純水量的5-30%，弓丨發(fā)劑為過硫酸銨，加入量為有機單體的0.2-0.6%，攪拌均勻后置于烘箱中加熱，加熱溫度在50-100°C之間，加熱時間為10-20分鐘，得到濕凝膠體；
[0036](4)凝膠體干燥、粉碎
[0037]將濕凝膠體切成小塊后放入烘箱中干燥，干燥溫度為80-120°C之間，干燥時間為10-15小時,將干燥后的凝膠塊在行星磨中進行球磨粉碎,獲得凝膠粉體；
[0038](5)碳熱還原氮化
[0039]將上述凝膠粉體置于N2氣氛爐中，在N2氣氛下進行煅燒，讓凝膠粉體進行碳熱還原氮化反應，煅燒溫度為1000°c -1600°c，保溫時間為5-10小時；
[0040](6)除碳處理
[0041]將上述碳熱還原氮化反應后的粉體置于CO2氣氛爐中，在CO2氣氛下進行二次煅燒，脫除多余的C，煅燒時間為600°C-100(TC，保溫時間為5-15小時，充分除碳處理后得到氮化鋁陶瓷粉體。
[0042]實施例1
[0043]稱取200g高純金屬鋁片，純度為99.99%，鋁片尺寸為1mmX 1mmX Imm,置于燒杯中，加入純水500g，加熱水溫至90°C，同時進行快速攪拌處理，使金屬鋁與水發(fā)生水解反應，攪拌3小時，反應完全，得到鋁的水解料漿。然后加入350g高純蔗糖繼續(xù)攪拌20分鐘，蔗糖完全溶解并均勻混合之后，加入丙烯酰胺50g，亞甲基雙丙烯酰胺2.5g，過硫酸銨
0.25g,攪拌均勻后置于烘箱中加熱至70°C，待料漿凝膠后，將濕凝膠切成小塊放入烘箱中升溫至100°c進行干燥，干燥12小時。將干燥后的凝膠塊在行星磨中進行濕磨粉碎并干燥后置于氣氛爐中，在N2氣氛下1500°C進行煅燒，保溫6小時。將碳熱還原氮化反應后的粉體在CO2氣氛下800°C進行二次煅燒，保溫8小時脫除多余的C。充分除碳處理后可得到超高純度、高燒結活性氮化鋁陶瓷粉體。
[0044]實施例2:
[0045]稱取500g高純顆粒狀鋁錠，純度為99.99%，加入純水1500g，加熱水溫至80°C，同時進行快速攪拌處理，使金屬鋁與水發(fā)生水解反應，攪拌5小時，反應完全，得到鋁的水解料漿。然后加入700g高純蔗糖繼續(xù)攪拌20分鐘，蔗糖完全溶解并均勻混合之后，加入甲基丙烯酰胺120g，多乙二醇二甲基丙烯酸5g，過硫酸銨0.6g，攪拌均勻后置于烘箱中加熱至80°C，待料漿凝膠后，將濕凝膠切成小塊放入烘箱中升溫至100°C進行干燥，干燥12小時。將干燥后的凝膠塊在行星磨中進行濕磨粉碎并干燥后置于氣氛爐中，在N2氣氛下1550°C進行煅燒，保溫5小時。將碳熱還原氮化反應后的粉體在CO2氣氛下900°C進行二次煅燒，保溫6小時脫除多余的C。充分除碳處理后可得到超高純度、高燒結活性氮化鋁陶瓷粉體。
【權利要求】
1.一種氮化鋁陶瓷粉體的制備方法，其特征是， 該方法的操作步驟如下: (1)金屬鋁水解 將純度高達99.99 %的金屬鋁置于燒杯中，加入純水，鋁和純水的質量比為1:2-1: 5，加熱水溫至80°C -150°C，同時進行快速攪拌處理，使金屬鋁與水發(fā)生水解反應，攪拌時間為1-5小時，直到反應完全，得到鋁的水解料漿； (2)混合料漿制備 在上述水解料漿中按配比加入純度高達99.99%的蔗糖，金屬鋁與蔗糖的摩爾比為1:0.1-1:5，蔗糖溶解后攪拌均勻得到Al源和C源的均勻混合料漿； (3)料漿凝膠化 在上述混合料漿中依次加入有機單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑，有機單體是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺，交聯(lián)劑是亞甲基雙丙烯酰胺或多乙二醇二甲基丙烯酸，有機單體和交聯(lián)劑的質量比例在10:1-30:1之間選取，有機單體和交聯(lián)劑的總加入量為純水量的5-30%，引發(fā)劑為過硫酸銨，加入量為有機單體的0.2-0.6%，攪拌均勻后置于烘箱中加熱，加熱溫度在50-100°C之間，加熱時間為10-20分鐘，得到濕凝膠體； (4)凝膠體干燥、粉碎 將濕凝膠體切成小塊后放入烘箱中干燥，干燥溫度為80-120°C之間，干燥時間為10-15小時,將干燥后的凝膠塊在行星磨中進行球磨粉碎,獲得凝膠粉體； (5)碳熱還原氮化 將上述凝膠粉體置于N2氣氛爐中，在N2氣氛下進行煅燒，讓凝膠粉體進行碳熱還原氮化反應，煅燒溫度為1000°C -1600°C，保溫時間為5-10小時； (6)除碳處理 將上述碳熱還原氮化反應后的粉體置于CO2氣氛爐中，在CO2氣氛下進行二次煅燒，脫除多余的C，煅燒時間為600°C -1OOO0C，保溫時間為5-15小時，充分除碳處理后得到氮化鋁陶瓷粉體。
2.根據權利要求1所述的一種氮化鋁陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，采用金屬鋁作為鋁源，利用金屬鋁的水解特性獲得Al2O3前驅體，蔗糖作為C源。
【文檔編號】C04B35/581GK104402452SQ201410601847
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權日:2014年10月31日
【發(fā)明者】梁艷媛, 王嶺, 焦健, 焦春榮, 李光亞 申請人:中國航空工業(yè)集團公司基礎技術研究院