表面涂覆氮化铝粉末的抗水化性

表面涂覆氮化铝粉末的抗水化性

姚义俊1，谢爱根1，李纯成1，丘泰2

(1. 南京信息工程大学数理学院，南京 210044；2. 南京工业大学材料科学与工程学院，南京 210009)

摘要：研究了表面涂覆硬脂酸和吐温80对氮化铝粉末抗水化性能的影响。经过表面改性工艺处理的氮化铝粉末在20～60℃具有很好的化学稳定性，溶液pH值在9.88基本保持不变；改性处理的氮化铝粉末在水中长时间浸泡，X射线衍射分析表明其物相为AlN相。通过表面改性工艺在氮化铝粉末表面包裹一层有机化合物，能有效地抑制氮化铝与水的反应，阻碍水分子向氮化铝粉末表面侵蚀，提高氮化铝粉末在潮湿环境的抗水化能力。

关键词：氮化铝粉末；表面改性处理；抗水性

中图分类号：TG146 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2010)05–0913–05

WATER-RESISTANCE OF SURFACE COATED ALUMINUM NITRIDE POWDER

YAO Yijun1，XIE Aigeng1，LI Chuncheng1，QIU Tai2

(1. School of Mathematics and Physics, Nanjing University of Information and Science Technology, Nanjing 210044;

2. College of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China) Abstract: The chemical stability of aluminum nitride powder surface-coated with stearic acid and Tween-80 in aqueous environment was studied. The treated powder did not react with water at 20–60℃at a constant pH value of 9.88. The result of X-ray diffraction shows that there is mainly AlN phase when the treated powder directly contacted with water for a long period of time. The surface of aluminum nitride powder coated with hydrophobic films can form a diffusion barrier between water and AlN surface, restrain hy-drolysis reaction and increase the water-resistance of AlN powder in wet environment.

Key words: aluminum powder; surface modification; water-resistance

氮化铝因其具有高导热率对于单晶，其理论值为320W/(m·K)，其实际值仍可达100～280W/(m·K)，相当于氧化铝的5～10倍]、高强度、高体积电阻率、高绝缘耐压、低介电损耗，热膨胀系数与硅匹配等优良特性，已成为目前最有希望的新一代高导热陶瓷电子基板和封装材料。因此，对氮化铝陶瓷的研制，将会给电子技术领域，尤其是集成电路的发展带来革命性的影响。[1–3]然而氮化铝粉末与水有着很高的反应活性，在潮湿的环境极易与水中羟基形成氢氧化铝，在氮化铝粉末表面形成氧化铝层，氮化铝晶格溶入大量的氧，降低其热导率，给氮化铝的储存、运输及后续的工艺过程带来很大困难。因此提高氮化铝粉末的抗水化能力，对推广氮化铝瓷的应用具有非常重大的意义。[4]

目前，对氮化铝粉末抗水化性能已有相关研究。顾明元等[5]提出利用四乙氧基硅烷溶液进行浸泡处理，改善粉末抗水化性能。雒晓军等[6]提出的用磷酸对氮化铝粉末进行处理，提高其抗水化性能。但现有研究成果，粉末抗水化性能改善并不明显，粉末在球磨过程中抗水化性能明显降低。针对抗水化性能改善不明显，球磨过程中抗水化粉末氧化程度提高，抗水性能降低等缺点，提出了一种提高氮化铝粉末抗水化能力的新方法，该方法工艺简单，抗水性明显改善，经过表面处理的粉末能够与水很好的浸润，粉末在60℃以下潮湿环境中保持稳定不发生水解反应，高剪切速率球磨过程中粉末的氮含量基本保持不变，具有很好的抗水化能力，能有效解决氮化铝粉末在储存、运输及后续的工艺过程中带来的困难。

收稿日期：2009–11–22。修改稿收到日期：2009–12–20。基金项目：南京信息工程大学科研基金(20080113)资助项目。第一作者：姚义俊(1979—)，男，博士。Received date:2009–11–22. Approved date: 2009–12–20. First author: YAO Yijun (1979–), male, Ph.D.

E-mail: yaoyijun1979@

第38卷第5期2010年5月

硅酸盐学报

JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY

Vol. 38，No. 5

M a y，2010

硅 酸 盐 学 报

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2010年

1 实 验

1.1 粉末制备

所用的AlN 粉为实验室自蔓延法制得，经细磨处理后其平均颗粒尺寸为1.50 μm ，比表面积为4.084 6 m 2/g 。在AlN 粉末中添加10% (质量分数，下同)硬脂酸，并加入乙醇溶剂，不停地搅拌，分散均匀，然后静置2 h 。在上述混合物中添加3%的吐温80(聚山梨酸酯80)表面活性剂，于60 ℃水浴搅拌加热3 h 。将混合物过滤，过滤出的氮化铝粉末用乙醇溶剂多次清洗。将清洗后的氮化铝粉末80 ℃烘干，获得抗水化能力突出的氮化铝粉末。 1.2 性能测试

将粉料在乙醇中超声分散后，用NSCH–1型颗粒分析仪采用自然沉降和离心沉降相结合的方式测定粉料的粒度及其分布。用美国Beckman Coulter 公司OMNISORP 100CX 型比表面积和孔容分析仪测定混合粉体的比表面积。用X 射线衍射(X-ray diffraction ，XRD)分析浸泡前后氮化铝粉末相组成的变化。对粉末进行了红外(infrared ，IR)光谱分析和热重(thermogravimetric ，TG)和差热(differential scanning colorimetry ，DSC)分析。

称取0.5 g AlN 粉末，分散在50 mL 蒸馏水的烧杯中，浸泡48 h 后，用酸度计测量氮化铝悬浊液的pH 值。

将在水中浸泡48 h 后的氮化铝粉末经过滤、洗涤，再用无水乙醇脱水、干燥，用中和–蒸馏化学分析法测定浸泡前后氮化铝粉末的N 含量。

2 结果与讨论

2.1 氮化铝粉末特性

氮化铝粉末在空气中或潮湿环境里及易与H 2O 发生反应，表面生成含氧化合物，降低粉末氮含量，对导热性能极为有害。

Bowen 等[7]研究了氮化铝水化机理和动力学，提出以下反应方程式：

23AlN 2H O AlOOH(amorphous)NH +⎯→+ (1)

+324

NH H O NH OH −+⎯→+ (2) 23AlOOH(amorphous)H O Al(OH)+⎯→ (3) Fukumoto 等[8]对Bowen 提出的理论和动力学

模型进一步完善，提出：氮化铝的水解行为在351 K

时，氮化铝的水解产物是拜耳体(crystalline bayerite)

和NH 3，而温度高于351 K 时，氮化铝的水解产物

是软水铝石(crystalline boehmite)和NH 3，具体反应方程式如下：

23AlN 2H O AlOOH NH (351 K)T +⎯→+< (4) 233AlN 3H O Al(OH)NH (351 K)

T +⎯→+> (5)

由于氮化铝粉末极易水解，因此对氮化铝粉末进行抗水解改性处理。图1为原始粉末与表面改性粉末的IR 光谱。由图1可知：原始AlN 粉末在3 315 cm –1处是粉末表面吸附水的吸收峰。而经过表面处理后的粉末中有长链烷基的特征吸收峰，即2 964，2 927，2 858，1 475，1 340 cm –1处的吸收峰。2 964 cm –1处是—CH 3反对称伸展振动吸收峰；2 927 cm –1处是—CH 2反对称伸展振动吸收峰；2 858 cm –1处是C —H 的伸缩振动吸收峰；1 475 cm –1处是—CH 2的剪式振动吸收峰；1 340 cm –1处是C —H 弯曲振动吸收峰；1 727 cm –1处存在羧酸特征伸缩振动吸收峰，说明AlN 粉末表面吸附少量硬脂酸；1 587 cm –1处存在羧酸盐特征吸收峰，说明硬脂酸分子与AlN 反应生成分子羧酸盐；在3 550 cm –1处—OH 和吸附水的吸收峰明显减弱，表明硬脂酸改性处理后的AlN 粉末由于表面有机化合物的存在有效地减少了AlN 粉末表面对水的吸附。[9]

图1 改性氮化铝粉末的IR 光谱

Fig.1 Infrared (IR) spectra of raw and modificated aluminum

nitride powders

图2为原始粉末与改性粉末的TG–DSC 曲线。由图2可见：原始粉末在100～200 ℃有0.15%的质

量损失，应为粉末间分子水受热挥发产生质量损失。

而抗水化粉末在70.8 ℃存在一吸热峰；主要是吸附在粉体表面吸附水的挥发；在200～280 ℃之间存在一吸热峰，质量损失达4.55%，粉末表面的吐温80非离子型表面活性剂受热挥发，与活性剂的添加量