專(zhuān)利名稱(chēng)：通過(guò)受控燃燒氮化制備氮化鋁粉的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備氮化鋁粉的方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及通過(guò)金屬鋁直接燃燒氮化來(lái)制備氮化鋁。
氮化鋁的合成通常通過(guò)四種已知方法之一來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種常用的方法是金屬鋁與氮直接反應(yīng)(
)。第二種常用的方法涉及氧化鋁被碳加熱還原和氮化(
)。一種不太常用的方法是氯化鋁和氨在蒸汽相中反應(yīng)(
)。美國(guó)專(zhuān)利3，128，153公開(kāi)了一種更不常用的方法，該方法是用磷化鋁與氨反應(yīng)(
)。
氮化鋁部件的性質(zhì)很大程度上取決于制造該部件所用的氮化鋁粉的純度。因此，應(yīng)該避免采用必然會(huì)在含氮化鋁粉的混合物中留下雜質(zhì)的任何方法。
氯化鋁和氨的蒸汽相反應(yīng)形成副產(chǎn)物氯化銨。此外，商品氯化鋁含有大量雜質(zhì)。因此，在與氨反應(yīng)之前，必須將氯化鋁純化。
磷化鋁與氨的反應(yīng)存在與蒸汽相合成同樣的問(wèn)題。商品磷化鋁中的雜質(zhì)含量通常不合格。另外，磷的價(jià)高、有毒、而且高度易燃。
用碳熱還原的方法生成的產(chǎn)物含有殘留的碳。這些碳可以被氧化，隨后在空氣中于高溫下燒光除掉。燒光過(guò)程也會(huì)使一些氮化鋁產(chǎn)物氧化成氧化鋁。這些氧化鋁降低了產(chǎn)物的純度，并且對(duì)由此產(chǎn)物制成的制品的熱導(dǎo)率有不利影響。
金屬鋁直接與氮化鋁反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物比其它方法的干凈，其原因有二。第一，市場(chǎng)上可購(gòu)得高純度的鋁。第二，比方法不生成副產(chǎn)物。
此直接反應(yīng)是放熱反應(yīng)，每克摩爾氮化鋁在1800K產(chǎn)生的328千焦耳的熱量。金屬鋁在約933K熔化。鋁和氮的反應(yīng)在約1073K開(kāi)始，而且，如果不加控制，一旦開(kāi)始就是自動(dòng)傳播的。未加控制的反應(yīng)達(dá)到約2800K的絕熱溫度。未加控制的反應(yīng)在達(dá)到并長(zhǎng)時(shí)間保持在AlN的熔結(jié)溫度時(shí)，形成燒結(jié)的氮化鋁團(tuán)聚體。這種團(tuán)聚體不容易用無(wú)壓燒結(jié)法進(jìn)一步燒結(jié)使其密度接近理論值。
直接氮化法的一種變型是利用等離子體反應(yīng)器在接近10，000K的溫度下將金屬鋁汽化。汽化的金屬隨后與氮、氨、氮與氨的混合物或氮與氫的混合物反應(yīng)。最終形成的氮化鋁粒子的平均粒徑小于0.1微米，表面積約為30平方米/克。暴露于空氣中的粉末表面上存在的氧，在燒結(jié)期間與氮化鋁反應(yīng)生成氧氮化鋁，使最終生成的燒結(jié)產(chǎn)物的熱導(dǎo)率降低。
美國(guó)專(zhuān)利4，612，045將熔融的鋁在熱氮?dú)獾牡瘹夥罩徐F化。氣體的溫度必須為1073K或更高。據(jù)報(bào)道生成的產(chǎn)物含有相當(dāng)數(shù)量未反應(yīng)的金屬鋁。
直接氮化法的另一種變型稱(chēng)作浮動(dòng)氮化法。將霧化的鋁粉摻入到氮?dú)饬髦?，向上穿過(guò)一個(gè)高溫反應(yīng)區(qū)。鋁粉在反應(yīng)區(qū)內(nèi)與氮?dú)夥磻?yīng)。在頂部收集形成的產(chǎn)物。典型的反應(yīng)溫度是在1623和1823K之間。
N·Hotta等在“利用浮動(dòng)的鋁顆粒在氮?dú)庵械铣傻X”一文(窯業(yè)協(xié)會(huì)志1987年95卷第2期274-277頁(yè))中敘述了在1350-1550℃的溫度下進(jìn)行的一種浮動(dòng)氮化法。他們制得了很細(xì)的氮化鋁粒子，平均粒度0.1至0.2微米，反應(yīng)時(shí)間約為5秒。
日本專(zhuān)利申請(qǐng)01 275472(1986年9月11日)敘述了一種兩步浮動(dòng)氮化法。在第一步，浮動(dòng)態(tài)的金屬鋁在低于1473K的溫度下與高溫氮?dú)舛虝r(shí)間反應(yīng)，只在金屬鋁粒子的表面上形成硬的氮化鋁層。在第二步，這些中間體粒子與氮?dú)庠?473至2073K的溫度下反應(yīng)較長(zhǎng)時(shí)間。所生成的氮化鋁據(jù)報(bào)道表面積小于2平方米/克。
本發(fā)明的一個(gè)方面是制備氮化鋁粉的一種方法，包括將粒狀的金屬鋁和氮源通過(guò)一個(gè)加熱反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)區(qū)的溫度保持在足以將基本上所有的金屬鋁粒子以至少100K/秒的加熱速度逐一加熱到1873K-2373K的溫度，金屬鋁粒子和氮源的流動(dòng)速度足以使基本上所有的金屬鋁粒子在上述溫度范圍內(nèi)保持0.2至10秒，以便將金屬鋁粒子轉(zhuǎn)變成氮化鋁含量至少占75%(重量)的產(chǎn)物，氧含量從大于0到小于1.2%(重量)。
一個(gè)有關(guān)的情況是，產(chǎn)物從加熱反應(yīng)區(qū)通入到冷卻區(qū)中，冷卻區(qū)的溫度保持在足以使基本上所有的產(chǎn)物粒子以至少100K/秒的冷卻速度逐一冷卻到溫度低于1073K。
本發(fā)明的第二個(gè)方面是一種制備氮化鋁粉的方法，包括將一種由可除掉或可相容的粉狀固體物質(zhì)、粒狀金屬鋁和氮源構(gòu)成的混合物通過(guò)一個(gè)加熱反應(yīng)區(qū)，可除掉或可相容的固體物質(zhì)的含量足以減少氮化鋁產(chǎn)物在限定反應(yīng)區(qū)的壁面或其它表面上的沉積，反應(yīng)區(qū)的溫度保持在足以使基本上所有的鋁金屬粒子以至少100K/秒的加熱速度逐一加熱到1873K-2373K，混合物的流速足以使基本上所有的金屬鋁粒子在上述溫度范圍內(nèi)保持0.2-10秒，以便將粒狀金屬鋁轉(zhuǎn)變成氮化鋁含量至少為75%(重量)的產(chǎn)物，其氮化鋁的表面積在0.5-6平方米/克的范圍內(nèi)，氧含量則從大于0到小于1%(重量)。在此方法開(kāi)始生產(chǎn)出氮化鋁產(chǎn)物之后，可以任選地將一部分產(chǎn)物作為可相容物質(zhì)源使用。產(chǎn)物中的氮化鋁含量最好是至少為產(chǎn)物重量的90%。
一個(gè)有關(guān)的情況是，產(chǎn)物從加熱反應(yīng)區(qū)通入到冷卻區(qū)中，冷卻區(qū)的溫度保持在足以將基本上所有的產(chǎn)物粒子以至少100K/秒的冷卻速度逐一地冷卻到溫度低于1073K。
本發(fā)明的第三個(gè)方面與前兩個(gè)方面都有關(guān)系，它是一個(gè)第二步的或進(jìn)一步的反應(yīng)步驟，其中在氮?dú)獯嬖谙孪葘a(chǎn)物研磨以暴露出未反應(yīng)的金屬鋁表面，然后加熱到溫度為1173K-1873K，加熱的時(shí)間足以將基本上所有暴露出的未反應(yīng)的金屬鋁表面轉(zhuǎn)化或氮化鋁。從1373K到1873K的溫度范圍還使產(chǎn)物的表面積比沒(méi)有二級(jí)反應(yīng)步驟時(shí)制得的產(chǎn)物小。產(chǎn)物表面積的減小可以達(dá)10%甚至更多。
一個(gè)有關(guān)的情況是，研磨和加熱同時(shí)進(jìn)行。
本發(fā)明的第四方面是制備氮化鋁粉的一種多步方法，包括(a)將預(yù)先制得的氮化鋁粉和粒狀金屬鋁及氮源的混合物通過(guò)加熱反應(yīng)區(qū)，惰性固體物質(zhì)的含量足以減少氮化鋁產(chǎn)物在反應(yīng)區(qū)內(nèi)表面上的沉積，反應(yīng)區(qū)的溫度保持在足以將基本上所有的金屬鋁粒子以至少100K/秒的速度加熱到1873K-2373K，混合物的流速足以使基本上所有的金屬鋁粒子在該溫度范圍內(nèi)保持0.2-10秒，以便將粒狀金屬鋁轉(zhuǎn)化成氮化鋁含量至少為75%(重量)的產(chǎn)物，氮化鋁的表面積在0.5-6平方米/克的范圍內(nèi)，含氧量從大于0到小于1%(重量)。
(b)將產(chǎn)物研磨一段時(shí)間，此時(shí)間足以將基本上所有未反應(yīng)的金屬鋁表面都暴露出來(lái)。
(c)將一部分研磨過(guò)的產(chǎn)物再循環(huán)，用來(lái)與粉狀金屬鋁構(gòu)成混合物。
(d)將去掉再循環(huán)部分的研磨過(guò)的產(chǎn)物在氮?dú)獯嬖谙录訜岬?173K-1873K，在此溫度范圍內(nèi)加熱一段時(shí)間，足以使基本上所有暴露出來(lái)的未反應(yīng)的金屬鋁表面都轉(zhuǎn)化成氮化鋁。溫度對(duì)產(chǎn)物表面積的影響與第三方面中詳述的相同。
附圖
是在實(shí)施例1中制得的氮化鋁產(chǎn)物的掃描電鏡放大照片。
本發(fā)明的方法適合于在例如專(zhuān)利合作條約WO 89/07011第10頁(yè)33行至第11頁(yè)17行中所述的裝置中進(jìn)行。該專(zhuān)利所述的裝置包括四個(gè)基本部分受冷卻的反應(yīng)物傳送部件;反應(yīng)器室;加熱裝置;冷卻室。在圍繞反應(yīng)器室的空間中可以引入吹掃氣。
傳送部件可以與安置在最好是環(huán)形的氣體流動(dòng)空間中的導(dǎo)管相連，其溫度宜保持低于粉狀金屬鋁的熔點(diǎn)。傳送部件的溫度最好是足以基本上防止粉狀金屬鋁在傳送部件內(nèi)或接近其出口處發(fā)生熔化或聚結(jié)。據(jù)認(rèn)為，金屬鋁的聚結(jié)會(huì)有效地終止借助本發(fā)明的方法從鋁向氮化鋁的轉(zhuǎn)化。氣態(tài)的氮穿過(guò)熔融態(tài)鋁的擴(kuò)散很慢，以致于所生成的反應(yīng)產(chǎn)物將含有很大比例的未反應(yīng)的金屬鋁而不是所要的亞微米級(jí)的氮化鋁粉。此外，熔融鋁表面的氮化形成了氮化鋁殼層，它進(jìn)一步限制了氮?dú)獬蚝痛┻^(guò)熔融態(tài)鋁的擴(kuò)散。因此，該溫度最好是足以使基本上所有的金屬鋁粉以分離顆粒的形式進(jìn)入反應(yīng)器室。溫度低于鋁的熔點(diǎn)(約933K)會(huì)得到令人滿意的結(jié)果。此溫度在275至373K之間較好，275至323K更好，最好是275至298K。
粉狀的金屬鋁，或是粉狀金屬鋁和粉狀惰性物質(zhì)的混合物，適宜用粉末進(jìn)料裝置送入傳送部分。粉末進(jìn)料裝置可以是能使粉狀金屬鋁或粉狀混合物能以計(jì)量的或受控的方式流向傳送部分的任何常用的加料器。常用的加料器包括單螺桿的料器、雙螺桿加料器、振動(dòng)式加料器或回轉(zhuǎn)閥加料器。
粉狀金屬鋁的純度應(yīng)高于97%。純度大于99%較好，最好是大于99.95%。鋁純度低于97%可能會(huì)使生成的氮化鋁產(chǎn)物的純度及性能作為商品不合格。
鋁粉的重均粒度宜小于500微米，最好是在5到200微米之間。此粒度范圍以5到50微米為佳，5到25微米則更好。重均粒度超過(guò)500微米會(huì)使熱傳導(dǎo)速度低于最佳值。重均粉末粒度小于5微米會(huì)使最終生成的氮化鋁粉中氧含量過(guò)高。
可除掉的或可相容的固體物質(zhì)宜為氮化鋁、碳或它們的混合物。當(dāng)使用氮化鋁作為可相容物質(zhì)時(shí)，其純度以大于75%為佳，最好是大于90%，表面積從1至8平方米/克，粒度在0.1至2微米。氮化鋁無(wú)需從任何特定來(lái)源得到。但是，如果其來(lái)源是氮化鋁產(chǎn)物的再循環(huán)部分，則可得理想的結(jié)果。再循環(huán)部分的氮化鋁在作為相容材料使用之前不必再經(jīng)過(guò)第二級(jí)反應(yīng)步驟。作為可除掉物質(zhì)使用的碳，最好是純度大于98%，表面積從10到200平方米/克，粒度在0.01至1.0微米的范圍。最好是用氮化鋁而不用碳作為可除掉的或可相容的固體物質(zhì)，因?yàn)槭褂锰汲３Ｐ枰硗獾募庸げ襟E以便從最終產(chǎn)物中去掉多余的碳。碳和氧在過(guò)程中反應(yīng)還會(huì)在產(chǎn)物中引入氧碳化物或其它雜質(zhì)。
相容的固體物質(zhì)也可以是氮化鋁之外的陶瓷細(xì)粉。這種粉末在與氮化鋁產(chǎn)物混合時(shí)形成理想的復(fù)合物產(chǎn)物粉末。這種復(fù)合物粉末可以制成致密的部件，性能比只用AlN優(yōu)越。合適的粉末包括碳化硅、氮化硼、碳化硼、二硼化鈦、氮化硅、氮化鈦、碳化鈦或氮化鉭。作為相容物質(zhì)用的細(xì)陶瓷粉，最好是純度大于98%，表面積1-30平方米/克，粒度在0.05-2微米的范圍內(nèi)。
可除掉或可相容的粉狀物質(zhì)與粉狀金屬鋁的混合物中含有的可除掉或可相容的物質(zhì)數(shù)量應(yīng)足以顯著減少氮化鋁產(chǎn)物在反應(yīng)器壁面或加熱反應(yīng)區(qū)內(nèi)表面上的沉積。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在不加這種可除掉或可相容的粉狀物質(zhì)時(shí)，多達(dá)60%(重量)的氮化鋁產(chǎn)物會(huì)朝限定反應(yīng)區(qū)的壁或表面上遷移，因?yàn)檫@些表面比反應(yīng)粒子的溫度低。雖然這對(duì)于時(shí)間長(zhǎng)度中等的生產(chǎn)過(guò)程不會(huì)造成問(wèn)題，但是在較長(zhǎng)的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)造成諸如反應(yīng)器堵塞、產(chǎn)物粒度分布增大和產(chǎn)物表面積變化等問(wèn)題。加入適量的相容、可除掉或惰性的物質(zhì)，可以將壁面沉積減少到低至產(chǎn)物總重量的2%-3%，甚至更低，同時(shí)保持足夠的反應(yīng)爐產(chǎn)量或產(chǎn)率。
熔融的鋁不會(huì)粘結(jié)到某些物質(zhì)，例如氮化硼上。如果某些鋁金屬在壁面上反應(yīng)，減少氮化鋁在反應(yīng)器壁面上沉積的另一種方法包括在該表面上涂敷氮化硼涂層或用氮化硼制造反應(yīng)器壁。
混合物中相容的、可除掉的或惰性物質(zhì)含量占混合物重量的20%至95%時(shí)能得到有利的結(jié)果?；旌衔镏卸栊晕镔|(zhì)含量以從28%至91%(重量)為佳，最好是從33%至67%(重量)。
這種混合物可以用許多常規(guī)混合設(shè)備中的任何一種來(lái)配置。示例性的設(shè)備包括螺條混合機(jī)、輥軋機(jī)、垂直螺桿混合器、V形混合器和流化區(qū)混合器。
粉末的進(jìn)料速度隨反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和容量而變。例如，對(duì)于反應(yīng)區(qū)體積為2.16立方英尺(0.06立方米)的某個(gè)反應(yīng)器，可采用的進(jìn)料速度是0.02至0.5千克/分。對(duì)于反應(yīng)區(qū)體積更大的反應(yīng)器，可采用的進(jìn)料速度容易確定而無(wú)需過(guò)多的實(shí)驗(yàn)。
進(jìn)入到傳送部分的氮?dú)獾臄?shù)量和流速足以能在金屬鋁粉進(jìn)入反應(yīng)區(qū)室之前將其夾帶走。氮?dú)獾牧魉倥c鋁粉的流速有關(guān)，應(yīng)該至少是成計(jì)量比的，或足以滿足化學(xué)式2Al+N2→2AlN。流速宜為計(jì)量流速的至少一倍半。此流速在計(jì)量流速的1.5倍和4倍之間較好，最好是計(jì)量流速的1.5倍至3倍。過(guò)高的流速使鋁粉在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間減少，從而減小了反應(yīng)器的生產(chǎn)能為。此流速最好是在計(jì)量流速的1.5倍和2倍之間。
除了以足以滿足反應(yīng)計(jì)量參數(shù)的速度供料之外，氮?dú)獾牧魉僮詈檬亲阋杂行У卦诜磻?yīng)器室內(nèi)夾帶和分散固體反應(yīng)物。表示這一流速的一種方法是根據(jù)氣體在流出反應(yīng)物傳送部件和進(jìn)入反應(yīng)器室時(shí)的速度。以后將這一速度稱(chēng)作“末端速度”，它隨夾帶氣的體積流速和反應(yīng)物傳送部件靠近出口處的內(nèi)徑而變。在末端速度超過(guò)10米/秒時(shí)得到特別有利的結(jié)果。換言之，當(dāng)被夾帶的粉狀鋁反應(yīng)物以超過(guò)10米/秒的速度進(jìn)入反應(yīng)室時(shí)對(duì)結(jié)果有利。但是，必須注意避免需要的末端速度太高，以致于靠近出口處的內(nèi)徑必須減小到會(huì)經(jīng)常發(fā)生固體堵塞的地步。
氮還被送入到氣體流動(dòng)空間中。此氣體從氣體流動(dòng)空間流入到反應(yīng)器室中。在這樣作時(shí)，它的作用即使不基本上排除，也減小了金屬鋁粉與靠近反應(yīng)器室和傳送部件出口聯(lián)結(jié)處反應(yīng)器室表面的接觸。這種接觸不希望發(fā)生，因?yàn)檫@些表面會(huì)處在促使金屬鋁聚結(jié)的溫度，聚結(jié)又會(huì)由于反應(yīng)器堵塞而造成操作中斷。
氮?dú)鈶?yīng)該盡可能地純。水分和殘余的氧雜質(zhì)對(duì)氮化鋁產(chǎn)物的質(zhì)量有不利影響。氮?dú)獾穆饵c(diǎn)以低于233K為宜，最好是低于193K。氧雜質(zhì)含量以低于氣體的5ppm為宜，最好是低于1ppm。如果水分含量太高，可能需要將氣體氮通過(guò)干燥床或干燥劑。也可以用其它的常用方法純化氣體以減小殘余氧的含量。
氮?dú)獾牧鲃?dòng)速度還控制金屬鋁粉在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間。停留時(shí)間以在0.2秒至10秒之間為宜，從2至8秒較好，4至6秒更好，最好是5秒。停留時(shí)間短于0.2秒會(huì)形成轉(zhuǎn)化不完全的產(chǎn)物，其中含有未反應(yīng)的金屬。停留時(shí)間超過(guò)10秒對(duì)于轉(zhuǎn)化百分率沒(méi)有很大好處。事實(shí)上，時(shí)間大大超過(guò)10秒可能不形成粉末而生成不希望要的燒結(jié)團(tuán)聚體。
可以用氨代替氮?dú)猓蚺c氮?dú)庖黄鹗褂?。也可以用氮?dú)夂蜌涞幕旌衔锎婕兊獨(dú)狻?br> 被夾帶的金屬鋁粉或粉狀混合物以接近于分散良好的浮塵形式進(jìn)入反應(yīng)區(qū)。鋁粉，無(wú)論是單獨(dú)加入或是以與可除掉或可相容物質(zhì)的混合物的形式加入，都幾乎立即被氣體對(duì)流和傳導(dǎo)熱以及由限定加熱反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)器壁面輻射出的熱輻射加熱。反應(yīng)區(qū)的溫度以保持在1873至2473K之間為宜，最好是從1873至2373K。溫度低于1873K會(huì)形成表面積為8平方米/克或更高的氮化鋁產(chǎn)物，特別是在沒(méi)有惰性固體物質(zhì)與金屬鋁粉相混合時(shí)。溫度為2473K或更高則超過(guò)了氮化鋁的分解溫度。蒸汽相中形成的氮化鋁在冷卻到低于2473K時(shí)會(huì)形成高比表面的極細(xì)粒子。反應(yīng)區(qū)內(nèi)的實(shí)際溫度可以用光學(xué)高溫計(jì)或其它常規(guī)方法測(cè)定。
反應(yīng)器壁可以用圍繞壁面間隔放置的加熱元件的輻射間接加熱、通過(guò)感應(yīng)線圈感應(yīng)加熱或用電阻直接加熱。鋁粉以每秒100至10，000，000K的速度被加熱。加熱速度以每秒1000至10，000，000K為佳，最好是每秒10，000至1，000，000K。各個(gè)金屬鋁粒子被加熱的速度隨許多因素變化，例如粒子大小、與熱源的接近程度和浮塵的密度。但是此速度不應(yīng)低到在達(dá)到反應(yīng)溫度之前的熔化階段發(fā)生鋁粒子的大量聚結(jié)。
金屬鋁在大約1073K開(kāi)始與氮?dú)夥磻?yīng)，生成氮化鋁。在反應(yīng)區(qū)內(nèi)，一些鋁可能熔化而另一些可以成為氣態(tài)。這兩種形式都與氮迅速反應(yīng)。此反應(yīng)是放熱的，如果不加控制，會(huì)提供足夠的熱量使反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度接近約2800K的絕熱反應(yīng)溫度。如果反應(yīng)溫度在很長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)等于或高于氮化鋁的燒結(jié)溫度，所生成的反應(yīng)產(chǎn)物必定含有含量不合格的氮化鋁團(tuán)聚體。
反應(yīng)器壁不僅向金屬鋁供應(yīng)熱量，而且還對(duì)于反應(yīng)產(chǎn)生的熱起吸熱器的作用。氮化鋁細(xì)粒子只含少量可感覺(jué)的熱量。此外，它們的高表面積使得這些少量的熱量容易被快速的氣體對(duì)流和傳導(dǎo)以及對(duì)較冷的反應(yīng)器室壁面的熱輻射除掉。
氮?dú)獾牧鲃?dòng)將鋁粉夾帶進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，也將粉狀氮化鋁夾帶流出反應(yīng)區(qū)。夾帶流動(dòng)或氮化鋁粉的浮塵最好是流出反應(yīng)區(qū)并且?guī)缀趿⒓催M(jìn)入冷卻區(qū)。冷卻區(qū)將氮化鋁粉驟冷或快速冷卻到其反應(yīng)溫度之下。冷卻區(qū)內(nèi)的冷卻速度最好是接近反應(yīng)區(qū)內(nèi)的加熱速度。冷卻區(qū)的冷卻壁面和冷卻氣會(huì)從氮化鋁粒子中迅速提取可覺(jué)察的剩余熱量。若是不快速冷卻，放熱反應(yīng)能繼續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，從而形成不希望有的團(tuán)聚體或大顆粒的氮化鋁產(chǎn)物。實(shí)際冷卻時(shí)間隨諸如粒度、冷卻區(qū)的構(gòu)型和氣體流速等因素而變。冷卻的氮化鋁粒子適宜用常規(guī)技術(shù)收集和加工。
氮化鋁產(chǎn)物的表面積以從0.5到小于8平方米/克為佳，最好是2-6平方米/克。產(chǎn)物的氧含量以小于產(chǎn)物重量的1.2%為宜。氧含量小于1.0%重量更好，更好是小于0.8%重量。氧含量過(guò)高的氮化鋁產(chǎn)物會(huì)使最終的制成部件具有不合要求的低熱導(dǎo)率。
為了減小(最好是消除)未反應(yīng)的金屬鋁粉在冷卻室和/或下游的收集系統(tǒng)中任何潛在可能的反應(yīng)，向冷卻室中通入惰性氣體，例如氬氣。惰性氣可以作為吹掃氣使用，在這種情況下它最好與流出反應(yīng)器室進(jìn)入冷卻室的夾帶氣和尾氣混合。惰性氣也可以直接通入到冷卻室中。如果需要，惰性氣既可以作為吹掃氣、又可以作為直接添加物通入到冷卻室中。惰性氣有效地抑制了形成氮化鋁的反應(yīng)，從而排除了未反應(yīng)的金屬鋁在反應(yīng)下游的任何進(jìn)一步的燃燒氮化。這樣，它就減少了氮化鋁產(chǎn)物的有害團(tuán)聚體的形成。由于排除了任何進(jìn)一步的放熱反應(yīng)，它也增加了操作安全性。
氮化鋁產(chǎn)物最好經(jīng)過(guò)研磨和第二步反應(yīng)以提高鋁向氮化鋁的轉(zhuǎn)化。第二步反應(yīng)包括使氮化鋁產(chǎn)物在氮源存在下于1123至1873K的高溫下處理從2分鐘到3小時(shí)的一段時(shí)間。氮源可以是氮?dú)?、氮和氫的氣態(tài)混合物或氨。溫度以從1173和1673K為宜，從1223至1473K更好，最好是約1273K。時(shí)間以從2分鐘至180分為宜，從30分至120分更好，最好是從60至90分鐘。如果在1123至1373K的溫度下發(fā)生第二步反應(yīng)，氮化鋁產(chǎn)物的表面積無(wú)明顯降低。第二步反應(yīng)的溫度若是從大于1373至1873K將使表面積減小。一般來(lái)說(shuō)，在低至1373K的溫度下保持短至2分鐘的一段時(shí)間，表面積的減小最小。相反，較高的溫度、較長(zhǎng)的時(shí)間，或是二者同時(shí)并用，都會(huì)使表面積的降低變大。氮化鋁粉的最終用途決定了對(duì)理想表面積值的要求。
如果采用研磨，可以藉助任何一種常用的研磨設(shè)備來(lái)完成。示例性的設(shè)備包括噴射磨和球磨機(jī)，后者含有合適的研磨介質(zhì)。最好是使用氮化鋁研磨介質(zhì)。如果研磨時(shí)間有限，可以使用氧化鋁研磨介質(zhì)。如本文所用的“有限的”一詞意味著由于使用氧化鋁研磨介質(zhì)而引入的氧雜質(zhì)(以氧化鋁的形式)不會(huì)使產(chǎn)物的熱導(dǎo)率低于對(duì)特定最終用途的要求值。
第二步反應(yīng)步驟可以在任何一種常用設(shè)備中進(jìn)行。合適的設(shè)備包括轉(zhuǎn)動(dòng)式煅燒爐、流化床、振動(dòng)式流化床、管式爐和連續(xù)推進(jìn)爐。
如果需要，可以將研磨和第二步反應(yīng)結(jié)合成單一的操作。結(jié)合操作的一種方法包括在第二步反應(yīng)期間在轉(zhuǎn)動(dòng)式煅燒瓶中放置研磨介質(zhì)棒。另一種方法是在研磨期間將轉(zhuǎn)動(dòng)的球磨機(jī)加熱。
以下實(shí)施例只用來(lái)示例說(shuō)明，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。除非另外說(shuō)明，所有的份數(shù)和百分?jǐn)?shù)均指重量。
實(shí)施例1將一個(gè)內(nèi)徑6英寸(0.152米)、加熱區(qū)長(zhǎng)11英寸(3.35米)的直立式石墨管式爐的溫度，按光學(xué)高溫計(jì)測(cè)定保持1600℃(1873K)的溫度。
將美洲鋁業(yè)公司(Alcoa)標(biāo)號(hào)7123的商品高純度金屬鋁粉裝入一個(gè)頂部加料料斗中，用氮?dú)獯祾摺ｄX粉的標(biāo)稱(chēng)純度為99.97%，表面積為0.449平方米/克，氧含量0.223%(重量)，硅含量75ppm，鈣含量少于10ppm，鉻含量少于10ppm，鐵含量44ppm，平均粒度18微米。氮?dú)獾穆饵c(diǎn)低于-80℃(193K)，氧含量少于1ppm。
將鋁粉經(jīng)過(guò)一個(gè)減重式雙螺桿的料器從料斗中以每分鐘0.2磅(0.09千克)的速度加到加熱區(qū)域管式爐的頂部，加料器與在專(zhuān)利合作條約WO89/07011第14頁(yè)10-30行所述的那類(lèi)反應(yīng)物傳送部件相連。此反應(yīng)物傳送部件保持在283K的溫度。氮?dú)庖悦糠昼?標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(SCFM)(每分鐘85標(biāo)準(zhǔn)升(SLM))的速度流過(guò)反應(yīng)物傳送部件，卷起鋁粉與它一起進(jìn)入加熱區(qū)的頂部。另有每分鐘1標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(SCFM)(每分鐘28.3標(biāo)準(zhǔn)升)的氮?dú)饬鬟^(guò)傳送部件安置于其中的氣體流的空間，進(jìn)入爐子的頂部。氣體的流動(dòng)足以使粉末在加熱區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間(在考慮了由于反應(yīng)和生成氮化鋁而造成的氮?dú)饬鲃?dòng)減少之后)約為5.4秒。對(duì)于進(jìn)料的鋁粒子，這一特征加熱時(shí)間等于估算的加熱速度約為105K/秒。
亞微米的產(chǎn)物粉末被從反應(yīng)區(qū)流出的約每分鐘3標(biāo)準(zhǔn)立方英尺(每分85標(biāo)準(zhǔn)升)的未反應(yīng)的N2卷過(guò)冷卻區(qū)。計(jì)算出的在冷卻區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間約為3.2分鐘。
在下游的冷卻區(qū)收集來(lái)自反應(yīng)器的產(chǎn)物粉末并分析之。冷卻區(qū)的內(nèi)徑為18英寸(45.7厘米)、長(zhǎng)6英尺(1.8米)、體積10.6立方英尺(0.3立方米)。將溫度保持283K的冷卻劑流過(guò)圍繞著冷卻區(qū)的夾層，將產(chǎn)物粉末和氣體冷卻，測(cè)得的溫度約為303K。冷卻速度與加熱速度相近。產(chǎn)物的X射線衍射圖表明該粉末基本上是氮化鋁，帶有一些未反應(yīng)的金屬。用LECO分析儀測(cè)得氧和氮含量分別為0.6%(重量)和31.6%(重量)。此氮含量相當(dāng)于氮化鋁含量約為93%。產(chǎn)物的掃描電鏡照片(見(jiàn)圖)表明，這種粉末主要以直徑從0.4至0.8微米的均勻晶體的形式存在。用一種氮?dú)馕锢砦椒治龇?BET(Brunauer-Emmett-Teller)分析測(cè)得，粉末的未研磨聚集體的表面積約為2.6平方米/克。
將產(chǎn)物粉末用氮化鋁研磨介質(zhì)干球磨2小時(shí)，以便粉碎產(chǎn)物的軟團(tuán)聚體?！败泩F(tuán)聚體”一詞是指在姆指和其他手指間輕微加壓摩擦?xí)r就容易破裂分開(kāi)的團(tuán)聚體。球磨后的BET表面積為4.0平方米/克?？紤]到大約7%重量的未反應(yīng)的鋁的表面積估計(jì)為0.449平方米/克，計(jì)算出氮化鋁的重均表面積約為4.2平方米/克。
將球磨過(guò)的產(chǎn)物樣品放在石英管式爐中，在流動(dòng)氮?dú)獯嬖谙录訜岬?30℃(1203K)保持1小時(shí)。氮?dú)獾难鹾亢吐饵c(diǎn)與反應(yīng)器中使用的相同。在冷卻之后，加熱過(guò)的粉末的氧含量為0.76%(重量)，氮含量為34.2%(重量)，表明完全轉(zhuǎn)化成了氮化鋁。冷卻過(guò)的粉末的表面積為每克4.6平方米。用X射線螢光測(cè)定，冷卻過(guò)的粉末中的金屬雜質(zhì)是5ppm鈣、20ppm硅、14ppm鉻和33ppm鐵。
此實(shí)施例支持以下幾個(gè)觀察結(jié)果。第一，將溫度控制在1873K能得到?jīng)]有大塊燒結(jié)團(tuán)聚體的產(chǎn)物。第二，產(chǎn)物的氧含量少于1%(重量)，合乎要求。據(jù)認(rèn)為，氧含量低則最終形成的部件的熱導(dǎo)率高。第三，反應(yīng)后的簡(jiǎn)單研磨和熱處理使未反應(yīng)的金屬鋁完成了轉(zhuǎn)化，從而得到具有合乎要求表面積的很純的氮化鋁產(chǎn)物。
實(shí)施例2將在實(shí)施例1中制得的部分冷卻后的氮化鋁粉與適量的氧化釔粉及有機(jī)粘合劑摻混，其數(shù)量足以使混合物中的氧化釔含量為混合物重量的3%。將混合物在15，000磅/平方英寸(1.03×108帕)下冷壓成適合燒結(jié)的2毫米壓片。在流動(dòng)的空氣或N2環(huán)境下于823K加熱1小時(shí)，從壓片中除掉粘合劑。各個(gè)壓片按以下表1所示的條件燒結(jié)。最后得到的各個(gè)燒結(jié)部件的厚度、密度和熱傳率也示于表Ⅰ。
列在表Ⅰ的數(shù)據(jù)表明，按照本發(fā)明制備的氮化鋁粉末適合用于要求熱導(dǎo)率超過(guò)150瓦/米.K的電子學(xué)用途，對(duì)于按照本發(fā)明制備的其它的氮化鋁粉末，預(yù)期結(jié)果類(lèi)似。
實(shí)施例3-8重復(fù)實(shí)施例1的方法，但是改變了直立式反應(yīng)器加熱區(qū)所保持的溫度。表Ⅱ列出了各實(shí)施例的溫度和各自的分析結(jié)果以及各產(chǎn)品粉未的表面積測(cè)定結(jié)果。表Ⅱ包括了實(shí)施例1的相應(yīng)結(jié)果。
表中的數(shù)據(jù)表明，在大約2073K以下，由于粒子長(zhǎng)大，氮化鋁的表面積隨溫度升高而減小。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，由于從氣態(tài)鋁與N反應(yīng)生成的小粒子氮化鋁百分含量增加，表面積增大。這些數(shù)據(jù)還表明，通過(guò)將溫度控制在1873和2373K之間，表面積可以控制在每克2至6平方米的范圍內(nèi)。這些數(shù)據(jù)還表明，本發(fā)明的方法產(chǎn)生的氧含量一直很低。
實(shí)施例9用5.9千克的鋁粉重復(fù)實(shí)施例1的方法。從冷卻區(qū)的下游收集到8磅(3.6千克)產(chǎn)物粉末，經(jīng)LECO分析儀測(cè)定，產(chǎn)物粉末含有22.8%的氮原子。此氮含量表明鋁向氮化鋁的轉(zhuǎn)化比實(shí)施例1中低。
將反應(yīng)器室冷至室，拆除反應(yīng)器的頂。對(duì)反應(yīng)室的目測(cè)檢查表明，相當(dāng)大量的粉末已遷移到反應(yīng)室的壁面，從而減小了反應(yīng)室的有效體積，縮短了停留時(shí)間，并且屏蔽了與外壁的熱傳遞。反應(yīng)室壁面上總共刮下4.7千克粉末，分析(LECO分析儀)結(jié)果基本上是氮化鋁。
重復(fù)前述步驟，直到總計(jì)52.1千克的鋁粉通過(guò)加熱反應(yīng)區(qū)。從反應(yīng)室壁面上累計(jì)刮除下40.7千克粉末，經(jīng)分析，基本上是純的氮化鋁。在下游總計(jì)收集到34.9千克粉末產(chǎn)品。用LECO分析儀分析下游產(chǎn)物，表明有一些未反應(yīng)的金屬鋁存在。下游產(chǎn)物計(jì)算出的氮化鋁含量為26.4千克。換言之，粉末和最終得到的氮化鋁都有相當(dāng)一部分包含在反應(yīng)器壁面的刮除物之中。
從反應(yīng)器壁面上刮下的粉末的掃描電鏡放大照片顯示出有大量高縱橫比的針形單晶存在。例如，這些針形單晶測(cè)得的長(zhǎng)度為80微米，直徑3微米。
此實(shí)施例表明，熱的反應(yīng)粒子大量向較低的表面適移。換言之，雖然得到了令人滿意的氮化鋁產(chǎn)物，但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，因?yàn)榉磻?yīng)器必須定期停工進(jìn)行清理。
實(shí)施例10重復(fù)實(shí)施例9的步驟，但是用30.2千克金屬鋁粉和氮化鋁粉的50/50(重量)的混合物代替實(shí)施例9中的原料金屬鋁粉。兩實(shí)施例中的金屬鋁相同。氮化鋁粉的表面積為每克28平方米?；旌衔镉迷谲堉茩C(jī)中摻合8小時(shí)的方法制備。
總計(jì)收集到36.3千克粉末作為下游產(chǎn)物，其氮原子含量為30.8%。這相當(dāng)于氮化鋁含量為32.7千克。在象實(shí)施例9中一樣拆除掉反應(yīng)室的頂部之后，目測(cè)檢查表明在反應(yīng)器壁面上沒(méi)有明顯的物質(zhì)積聚。從反應(yīng)室的壁面上共刮下1千克粉末，經(jīng)分析是基本上純的氮化鋁?！盎旧霞兊牡X”一詞是指粉末的氮原子含量接近純氮化鋁中氮含量理論值34.15%。
從壁面刮除下的粉末占回收到的粉末的2.7%((1/37.3)×100)。這相當(dāng)于氮化鋁占3%((1/33.7)×100)。作為下游產(chǎn)物收集到的粉末的掃描電鏡照片中不含可覺(jué)察的針形物質(zhì)。
這一實(shí)施例表明，金屬鋁在氮化之前與一種惰性物質(zhì)混合能顯著減少壁面沉積。用根據(jù)本發(fā)明制得的其它物質(zhì)得到的結(jié)果類(lèi)似。
實(shí)施例11重復(fù)實(shí)施例9的步驟，但是實(shí)施例9中的金屬鋁粉原料用1.65千克混合物代替，混合物中含66%的金屬鋁粉、29%氮化鋁粉和5%的乙炔碳黑。氮化鋁粉的表面積為2.5平方米/克。象實(shí)施例9中一樣制備混合物。從反應(yīng)器壁面上刮下的粉末占回收到的粉末總量的3.4%。
實(shí)施例12重復(fù)實(shí)施例9的步驟，但是用7.73千克的混合物代替實(shí)施例9中的原料金屬鋁粉，混合物中含9%的金屬鋁粉和91%的氮化鋁粉。氮化鋁粉與實(shí)施例11中用的相同。混合物象實(shí)施例10中一樣制備。從反應(yīng)器壁面上刮下的粉末占回收粉末總量的0.8%。
實(shí)施例9-12中列出的數(shù)據(jù)充分表明，加入適量惰性粉末物質(zhì)與金屬鋁粉混合，能顯著減少反應(yīng)器壁面上的沉積。這就延長(zhǎng)了反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。用本發(fā)明公開(kāi)的其它混合物和操作條件，預(yù)期會(huì)得到類(lèi)似的結(jié)果。
實(shí)施例13重復(fù)實(shí)施例9的步驟，但是用9.78千克的含66%金屬鋁粉和34%氮化鋁粉的混合物代替實(shí)施例9中的金屬鋁粉原料。氮化鋁粉的表面積為每克2.6平方米?；旌衔镏泻?.04%碳、0.5%氧和11.6%氮。
用LECO分析儀鑒定從冷卻區(qū)收集到的氮化鋁粗產(chǎn)物的碳、氧及氮含量并測(cè)定BET表面積。其含量如下0.05%的碳、0.51%的氧和34.2%的氮。BET表面積為1.7平方米/克。通過(guò)粗產(chǎn)物樣品與鹽酸反應(yīng)測(cè)得，粗產(chǎn)物中含有少量殘留的游離金屬鋁。
在象實(shí)施例1中一樣后處理之后，產(chǎn)物的碳含量為0.06%，氧含量為0.70%，氮含量為33.6%。后處理過(guò)的產(chǎn)物的表面積為2.0平方米/克。X射線衍射表明沒(méi)有殘余的游離金屬鋁。
實(shí)施例14重復(fù)實(shí)施例9的步驟，但是用13.37千克含72%金屬鋁粉和28%氮化鋁粉的混合物代替實(shí)施例9中的金屬鋁粉原料。氮化鋁粉的表面積為3.5平方米/克。混合物中含0.02%的碳、0.6%的氧和9.6%的氮。
象實(shí)施例13中一樣收集到的氮化鋁產(chǎn)物，其殘余碳含量為0.05%、氧含量0.74%、氮含量33.6%。粗產(chǎn)物的BET表面積為2.6平方米/克。象實(shí)施例13一樣，粗產(chǎn)物中含有少量殘余的游離金屬鋁。
在象實(shí)施例13中一樣進(jìn)行后處理之后，產(chǎn)物的碳含量為0.08%、氧含量1.0%、氮含量33.4%。后處理過(guò)的產(chǎn)物的表面積為3.0平方米/克。X射線衍射表明沒(méi)有殘余的游離金屬鋁。
與實(shí)施例1相比，實(shí)施例13和14表明，使用惰性物質(zhì)提高了金屬鋁向氮化鋁的轉(zhuǎn)化率，并且降低了氮化鋁產(chǎn)物的表面積。使用本發(fā)明公開(kāi)的其它混合物和操作條件，預(yù)期得到類(lèi)似結(jié)果。
實(shí)施例15用一臺(tái)保持在氮?dú)鈮|或氮?dú)夥障碌倪B續(xù)式螺條混合器，將大約27.4磅/時(shí)(3.46×10-3千克/秒)與實(shí)施例1所用的同樣金屬鋁粉與14.7磅/時(shí)(1.85×10-3千克/秒)磨過(guò)的再循環(huán)氮化鋁物流相混合，物流中氮化鋁含量為93.6%重量。
將摻混物以41.4磅/時(shí)(5.2×10-3千克/秒)的速度與速度為28.5磅/時(shí)(3.59×10-3千克/秒)的夾帶氮?dú)饬饕黄鹚腿氲脚c實(shí)施例1相同的裝置中。摻混物以和實(shí)施例1的鋁粉同樣的方式起反應(yīng)，在加熱反應(yīng)區(qū)的停留時(shí)間約為5秒。大約55.1磅/時(shí)(6.95×10-3千克/秒)的粗產(chǎn)物流出冷卻區(qū)，粗產(chǎn)物中含有93.6%的氮化物、4.8%游離鋁和1.6%的氧化鋁。用一臺(tái)聯(lián)機(jī)的噴射磨將粗產(chǎn)物研磨，以便暴露出未反應(yīng)的金屬鋁。將大約14.7磅/時(shí)(1.85×10-3千克/秒)研磨過(guò)的產(chǎn)物再循環(huán)，用來(lái)和金屬鋁粉摻混。剩下的40.4磅/時(shí)(5.09×10-3千克/秒)研磨產(chǎn)物與以大約10標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分(280標(biāo)準(zhǔn)升/分)速度流動(dòng)的氮?dú)饬饕黄疬B續(xù)進(jìn)入一臺(tái)旋轉(zhuǎn)式煅燒爐，爐子的工作溫度為1000℃(1273K)，停留時(shí)間約為1小時(shí)。煅燒過(guò)的產(chǎn)物以40.8磅/時(shí)(5.15×10-3千克/秒)的速度流出旋轉(zhuǎn)式煅燒爐。煅燒過(guò)的產(chǎn)物基本上是氮化鋁，含以下雜質(zhì)少于0.1%的碳、少于1.0%的氧、少于35ppm的鐵、少于100ppm的硅和少于20ppm的鈣。產(chǎn)物表面積小于6平方米/克。
實(shí)施例15表明了用一部分按本發(fā)明制備的氮化鋁產(chǎn)物作為惰性物質(zhì)源的適用性。
實(shí)施例16-17和對(duì)照實(shí)施例A-B重復(fù)實(shí)施例1的步驟，但是減小了在加熱反應(yīng)區(qū)內(nèi)的平均停留時(shí)間，并且改變了反應(yīng)物傳送部件的內(nèi)徑。內(nèi)徑和末端速度及產(chǎn)物的氮含量及氮化鋁含量一起列于表Ⅲ。
總結(jié)在表1中的數(shù)據(jù)充分說(shuō)明，給定恒定的固體進(jìn)料速度，末端速度對(duì)進(jìn)料鋁粉的分散以及因此對(duì)鋁向氮化鋁的轉(zhuǎn)化有顯著影響。末端速度超過(guò)約10米/秒能得到令人滿意的轉(zhuǎn)化率。用本發(fā)明公開(kāi)的其它組合物和方法的變型，可得到類(lèi)似結(jié)果。
實(shí)施例18-22重復(fù)實(shí)施例10的步驟，但是改變了混合物中的金屬鋁的片劑、固體的進(jìn)料速度和夾帶氮?dú)獾牧魉?。反?yīng)物傳送部件的標(biāo)稱(chēng)內(nèi)徑為0.5英寸(1.38×10-2米)。調(diào)節(jié)氮?dú)獾牧鲃?dòng)以保持末端速度超過(guò)10米/秒。固體的進(jìn)料速度、金屬鋁含量和末端速度與產(chǎn)物的氮和氮化鋁含量一起列在下面的表Ⅳ中。
列在表Ⅳ中的數(shù)據(jù)表明，在末端速度超過(guò)10米/秒時(shí)，固體進(jìn)料速度對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響極小。對(duì)于本發(fā)明公開(kāi)的其它組合物和方法的變型，預(yù)期會(huì)得到類(lèi)似的結(jié)果。
實(shí)施例23做成一個(gè)內(nèi)徑5英寸(12.7厘米)、深6英寸(15.2厘米)的石墨坩鍋，裝在感應(yīng)的熱爐內(nèi)，使得坩鍋在加熱時(shí)能夠旋轉(zhuǎn)和傾斜。坩鍋用氮化鋁板加襯作改性處理，使內(nèi)襯基本上是氮化鋁。在用氮化鋁加襯的坩鍋中裝入1.6千克直徑3/8英寸(0.95厘米)的氮化鋁球形研磨介質(zhì)，并且傾斜成與水平面(地面)成20°角。在氮化鋁介質(zhì)之間的空隙中充滿約200克如實(shí)施例14中所述的合成的粗氮化鋁粉。氮?dú)庖源蠹s0.5標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分(14標(biāo)準(zhǔn)升/分)的速度流入和流出坩鍋。將加襯和裝滿了的坩鍋以15轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)，并且以約15K/分的速度感應(yīng)加熱，直到溫度達(dá)到1373K。將溫度在1373K保持約2小時(shí)。在2小時(shí)加熱/研磨處理之后，將坩鍋冷卻。分析后處理過(guò)的粉末的氮化鋁含量和表面積。用LECO分析儀的分析表明單原子氧含量為0.78%(重量)，單原子氮含量為34.2%(重量)，從而表明是高純度的氮化鋁。最終粉末的X-射線衍射圖譜表明無(wú)游離鋁保留。后處理過(guò)的粉末的BET表面積為3.0米2/克。
這一實(shí)施例表明，第二研磨步驟和加熱步驟可以結(jié)合起來(lái)同時(shí)進(jìn)行，以便將粗氮化鋁粉有效地轉(zhuǎn)化成具有所要求表面積的高純度的氮化鋁。此粉末被認(rèn)為適合于用無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)制造部件。
實(shí)施例24重復(fù)實(shí)施例1的方法，但是將大約3.5標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分(99.2標(biāo)準(zhǔn)升/分)的氬氣在室溫下與進(jìn)料的AlN和來(lái)自反應(yīng)區(qū)的3標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分的殘余工藝氮?dú)庖黄鹜ㄈ氲嚼鋮s區(qū)入口。冷卻過(guò)的粉末和流出冷卻區(qū)的氣體的溫度經(jīng)測(cè)量約為301K。產(chǎn)物AlN粉被工藝氮?dú)夂蜌鍤饩韼ㄟ^(guò)冷卻區(qū)的停留時(shí)間約為90秒。
這一實(shí)施例表明，可以將氬氣直接通入到冷卻區(qū)使反應(yīng)驟停并使AlN產(chǎn)物冷卻。
權(quán)利要求
1.一種制備氮化鋁粉的方法，包括將粒狀的金屬鋁和氮源通過(guò)一個(gè)加熱區(qū)，加熱區(qū)的溫度保持在足以將基本上所有的金屬鋁粒子以每秒100至10，000，000K的速度逐一加熱到1873至2373K的溫度，粒狀金屬鋁和氮源的流動(dòng)速度足以使基本上所有的金屬鋁粒子在上述溫度范圍內(nèi)保持從0.2秒至10秒的一段時(shí)間，以便將粒狀金屬鋁轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，產(chǎn)物中的氮化鋁含量至少為產(chǎn)物重量的75%，氮化鋁的表面積在2-8平方米/克的范圍內(nèi)，氧含量按單原子氧占氮化鋁重量的百分?jǐn)?shù)計(jì)從大于0到小于1.2%。
2.一種制備氮化鋁粉的方法，包括將可相容或可除掉的粉狀固體物質(zhì)、粒狀金屬鋁和氮源的混合物通過(guò)加熱的反應(yīng)區(qū)，可相容的或可除掉的物質(zhì)的數(shù)量足以減小氮化鋁產(chǎn)物在限定反應(yīng)區(qū)的表面上的沉積，反應(yīng)區(qū)的溫度保持在足以將基本上所有的金屬鋁粒子以每秒100至10，000，000K的加熱速度逐一加熱到1873至2373K的溫度，上述混合物的流動(dòng)速度足以使基本上所有的金屬鋁粒子在上述溫度范圍內(nèi)保持從0.2秒至10秒的一段時(shí)間，以便將粒狀金屬鋁轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，產(chǎn)物中氮化鋁含量至少為產(chǎn)物重量的75%，氮化鋁的表面積在0.5至6平方米/克的范圍內(nèi)，氧含量從大于0到小于1%(重量)。
3.權(quán)利要求2的一種方法，其中可相容的或可除掉的物質(zhì)選自氮化鋁、碳化硅、氮化硼、碳化硼、二硼化鈦、氮化硅、氮化鈦、碳化鈦、氮化鉭或碳。
4.上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的一種方法，其中還包括一個(gè)接續(xù)步驟，在該步驟中粒狀產(chǎn)物從加熱反應(yīng)區(qū)流出后被通入到冷卻區(qū)中，驟冷到溫度低于粒狀金屬鋁轉(zhuǎn)化成氮化鋁的溫度。
5.權(quán)利要求4中的一種方法，其中還包括一個(gè)接續(xù)步驟，在該步驟中于氮?dú)獯嬖谙聦a(chǎn)物研磨以便暴露出未反應(yīng)的金屬鋁，然后加熱到大約1173至1873K，保持一段時(shí)間，該時(shí)間足以使基本上所有暴露出的未反應(yīng)的金屬鋁表面轉(zhuǎn)化成氮化鋁。
6.一種制備氮化鋁粉的多步方法，包括(a)將預(yù)先制得的氮化鋁粉和粒狀金屬鋁以及氮源的混合物通過(guò)一個(gè)加熱反應(yīng)區(qū)，預(yù)先制得的氮化鋁粉末固體物質(zhì)的含量足以減少氮化鋁產(chǎn)物在反應(yīng)區(qū)內(nèi)表面上的沉積，反應(yīng)區(qū)的溫度保持在足以將基本上所有的金屬鋁粒子以每秒至少100K的加熱速度逐一加熱到1873至2373K的溫度，混合物的流動(dòng)速度足以使基本上所有的金屬鋁粒子在該溫度范圍內(nèi)保持從0.2至10秒的一段時(shí)間，以便將粒狀金屬鋁轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，產(chǎn)物中氮化鋁含量至少為產(chǎn)物重量的75%，氮化鋁的表面積在0.5至6平方米/克的范圍內(nèi)，氧含量從大于0到小于1%(重量);(b)將產(chǎn)物研磨一段時(shí)間，該時(shí)間足以使基本上所有未反應(yīng)的金屬鋁表面都暴露出來(lái);(c)將一部分磨過(guò)的產(chǎn)物再循環(huán)，用于和粉狀金屬鋁構(gòu)成混合物;(d)將去掉再循環(huán)部分的磨過(guò)的產(chǎn)物在氮?dú)獯嬖谙录訜岬?173至1873K的溫度，加熱時(shí)間足以將基本上所有暴露出的未反應(yīng)的金屬鋁表面轉(zhuǎn)化成氮化鋁。
7.權(quán)利要求6的一種方法，其中在步驟(a)和(b)之間還包括一個(gè)步驟，在該步驟中將產(chǎn)物通入到冷卻區(qū)中，驟冷到溫度低于粒狀金屬鋁轉(zhuǎn)化成氮化鋁的溫度。
8.權(quán)利要求4或7中的一種方法，其中在產(chǎn)物流出加熱反應(yīng)區(qū)之后的約0.1秒至約4分鐘之內(nèi)將其驟冷。
9.權(quán)利要求4、權(quán)利要求7或權(quán)利要求8中的一種方法，其中將氬氣送入冷卻區(qū)中使反應(yīng)驟停。
10.權(quán)利要求4、7、8或9的一種方法，其中產(chǎn)物以至少每秒100K的速度被冷卻。
11.權(quán)利要求1、2或6中的一種方法，其中的粒狀金屬鋁、可相容或可除掉的粉狀物質(zhì)與粒狀金屬鋁的混合物、或是預(yù)先制得的氮化鋁粉和粒狀金屬鋁的混合物，分別以至少每秒10米的速度進(jìn)入加熱反應(yīng)區(qū)。
12.上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的一種方法，其中的金屬鋁粒子、可相容或可除掉粉末物質(zhì)與粒狀金屬鋁的混合物、或是預(yù)先制得的氮化鋁粉末和粒狀鋁金屬的混合物，分別在所述的溫度范圍內(nèi)保持從2秒到8秒的一段時(shí)間。
全文摘要
在氮源存在下將粉狀金屬鋁(不管是單獨(dú)存在還是與先前制得的氮化鋁粉或者可除掉或可相容的物質(zhì)構(gòu)成混合物)在氮源存在下加熱到1873至2373K的溫度范圍，以便將粉狀金屬鋁轉(zhuǎn)化成氮化鋁，然后迅速地將氮化鋁產(chǎn)物驟冷。基本上所有的鋁金屬粒子都以每秒100至10,000,000K的速度被加熱。金屬鋁粉或含金屬鋁粉的混合物在上述溫度下保持0.2秒至10秒的一段時(shí)間。產(chǎn)物的表面積在2—8平方米/克之間，氧含量少于1.2％(重量)。
文檔編號(hào)C01B21/072GK1066429SQ92100189
公開(kāi)日1992年11月25日 申請(qǐng)日期1992年1月11日 優(yōu)先權(quán)日1991年5月3日
發(fā)明者A·W·韋默, J·P·亨利, G·A·科克倫, G·A·艾斯曼, W·G·穆?tīng)?申請(qǐng)人:陶氏化學(xué)公司