基于非水解sol-gel法的碳热还原氮化合成氮化铝超细粉体
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财
文 章编 号 ： １ ０ ０ １ － ９ ７ ３ １ （ ２ ０ １ ３ ） １ ７ — ２ ５ ４ ６ — ０ ４
料
２ Ｏ １ ３ 年第 ｌ ７ 期（ ４ ４ ） 卷
基 于 非 水解 ｓ ｏ ｌ — ｇ ｅ ｌ 法 的碳 热 还 原 氮 化 合 成 氮 化 铝 超 细 粉体
魏 颖娜 。 ， 魏 恒勇 ， 赵 冬 梅 。 ， 卜景 龙 。 ，于 云 ， 王瑞 生 。
和炭 黑 为原 料 。 在 氮气 中于 １ ６ ０ ０ ～ｌ ７ ５ ０ 。 Ｃ还 原 氮化 合
例如 ， Ｓ ． Ａｃ ｏ ｓ ｔ ａ 和 Ｙ．Ｄ ｅ Ｈａ ｚ ａ ｎ等 。 利用 该方 法 合 成 出氧化铝 凝胶 ， 经９ ０ ０ ℃煅 烧 ０ ． ５ ｈ后 粉体 比表 面 积 仍 高达 １ ４ ０ ｍ。 ／ ｇ ， 而采 用 水 解 法 合 成 氧 化 铝 粉体 的 比 表 面 积一般 在 １ ０ ０ ｍ。 ／ ｇ以下 。据 文献 ［ １ ３ ］ 报道， 具 有 高 比表 面积 的原 料有 利于 Ｎ。 和Ｃ Ｏ 的吸 附和流 通 ， 可 以促进 碳热 还原 氮化 反应进 行 ， 降低氮 化 物合 成 温度 。 因此 ， 若 以非 水 解 溶 胶 凝 胶 制 备 的 氧 化 铝 为铝 源 ， 则 可降 低氮化 铝 的碳 热 还 原 氮 化合 成 温 度 ， 缩 短 反 应 时
果表 明 ， 氧 化铝 凝 胶 经 ３ ０ ０ 。 Ｃ预 煅 烧 ， 按 ｎ （ Ｃ） ／ （ Ａ １ ）
一７ ． ８与 碳 黑 混 合 ， 在 流量 ８ ０ ｍＩ ／ ａｉ ｒ ｎ高 纯 Ｎ 中， 于
１ ４ ５ ０ 。 Ｃ还原 氮化 ２ ｈ便 可合 成 出平 均粒 径在 ４ ０ ０ ｎ ｍ 的
应 相对 易于控 制 ， 工 艺简 单 。尤其 重要 的是 。 由于 非水 解 溶胶一 凝胶 反应 是在 密 闭体 系 内进行 的 ， 通过体系 自
身 产生 的压力 场 ， 迅 速 引 发 反应 ， 瞬 问形 成 大 量 胶 核 ， 制 备 出颗 粒 更 为 细 小 、 比表 面 积 更 高 的氧 化 物 粉 体 。
高 纯 六 方 相 Ａｌ Ｎ粉 体 。 关 键词 ： 非水解 溶胶 一 凝胶 法 ； 碳 热还 原 氮化 法 ； 氮 化 铝； 超 细Biblioteka Baidu体 中 图分类 号 ： Ｔ Ｑ１ ７ ４ ． ７ ５ ８ ． １ ２ 文 献标识 码 ： Ａ
Ｄ０Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ ． ２ ０ １ ３ ． １ ７ ． ０ ２ ５
水铝 石将 碳 黑包 裹 形成 核壳 结 构 ， 在 １ ４ ５ ０ ℃碳 热 还 原
在 １ ２ ０ ０ 。 Ｃ附近 ， 经 ９ ０ ０ ℃ 煅 烧 后 比 表 面 积 仍 高 达
１ ４ ５ ｍ ／ ｇ ， 具 有介 孔 结 构 。 以该 高活 性 氧 化 铝 凝胶 作
为铝 源 ， 采 用 碳 热 还 原 氮 化 工 艺 合 成 氮 化 铝 粉 体 。 结
溶胶 一 凝 胶 法 制 备 出 氧 化 铝 凝 胶 。其 经 ８ ０ ０ ℃ 煅 烧 才 析
出 少量 一 Ａｌ Ｏ。晶 体 ， 一 Ａｌ 。 Ｏ。向 ａ — Ａｌ ｚ Ｏ。晶 型 转 变
氮化 制备 出 氮化 铝 纳 米 粉 体【 Ｊ 。 以硝 酸 铝 为原 料 ， 加
入Ｔ ｗｅ ｅ ｎ ８ ０作 为 表 面 活 性 剂 ， 使 水 解凝 胶 产 物 拟 薄
间。
为此 ， 本 文 以无水 氯化 铝和 异丙醚 为 原料 ， 采 用 非
水解溶 胶一 凝胶 法制 备 出活性 高 、 比表 面 积 大 的氧 化 铝 凝胶 ， 然后 ， 将该 凝 胶 与 炭 黑混 合 ， 利 用 碳 热 还 原 氮 化
成 Ａｌ Ｎ 粉体 。该 方法 原料来 源 广 、 成本低、 工 艺简 单 ， 合 成 粉体 纯度 较高 ， 粒度 分布 较均 匀 ， 团 聚少 Ｅ ５ ］ 。研 究 发现 ， 选 用 比表 面积 大 、 颗 粒 细 小 的前 驱 体 作 为 铝 源 ，
氮化 １ ０ ｈ制 备 出球 形 氮 化 铝 粉体 ］ 。但 是 ， 采 用 水 解 溶胶 一 凝 胶法 的 原料 水 解 聚合 反 应 迅 速 ， 不易控制 ， 制
备工 艺 复杂 ， 且 较难 获得 活性 高 的氧 化铝凝 胶前 驱体 。 鉴 于此 ， ２ Ｏ世纪 ９ Ｏ年 代初 ， Ｒ． Ｊ ． Ｐ ． Ｃ ｏ ｒ ｒ ｉ ｕ等 提 出 一 种 非 水 解 溶 胶一 凝 胶法 （ ｎ ｏ ｎ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｌ ｙ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｌ — ｇ ｅ ｌ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ， 简 称 ＮＨＳ Ｇ） ， 其无需控制水解反应 ， 聚 合 反
（ １ ． 河北联 合 大学 材料 科学 与工 程学 院 ， 河北 唐山 ０ ６ ３ ０ ０ ９ ；
２ ．中 国科 学 院特种 无机 涂层 重点 实验室 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ５ ０ ； ３ ．河北省 无机 非金 属材 料重 点实验 室 ， 河北 唐 山 ０ ６ ３ ０ ０ ９ ） 摘 要 ： 以无 水氯化 铝和 异 丙醚 为原料 ， 采 用 非水 解
１ 引 言
氮化铝 （ Ａｌ Ｎ） 陶瓷 具有 热 导率 高 、 热 膨 胀 系数 低 、 且与 半导 体硅 材料 相匹 配 ， 介 电性 能好 等优 良特性 ， 是 半 导 体集 成 电路和 大功 率 电子 器件 的理 想 封装 和散 热 材 料 。合成 纯 度 高 、 粒 径 小 及 分 散性 好 的 氮化 铝 粉 体 是制 备 高热 导率 Ａ１ Ｎ 陶瓷 的重要 前提 ］ 。 目前 ， 合成 氮化 铝 粉 体 的主 要 方 法 有 铝 粉直 接 氮 化法 】 、 高 温 自蔓延 合 成法 ［ ３ ］ 、 气 相 反应 法 和碳 热还 原氮 化法 ‘ 等 。其 中 ， 碳 热还原 氮 化法 通 常 以氧 化铝
文 章编 号 ： １ ０ ０ １ － ９ ７ ３ １ （ ２ ０ １ ３ ） １ ７ — ２ ５ ４ ６ — ０ ４
料
２ Ｏ １ ３ 年第 ｌ ７ 期（ ４ ４ ） 卷
基 于 非 水解 ｓ ｏ ｌ — ｇ ｅ ｌ 法 的碳 热 还 原 氮 化 合 成 氮 化 铝 超 细 粉体
魏 颖娜 。 ， 魏 恒勇 ， 赵 冬 梅 。 ， 卜景 龙 。 ，于 云 ， 王瑞 生 。
和炭 黑 为原 料 。 在 氮气 中于 １ ６ ０ ０ ～ｌ ７ ５ ０ 。 Ｃ还 原 氮化 合
例如 ， Ｓ ． Ａｃ ｏ ｓ ｔ ａ 和 Ｙ．Ｄ ｅ Ｈａ ｚ ａ ｎ等 。 利用 该方 法 合 成 出氧化铝 凝胶 ， 经９ ０ ０ ℃煅 烧 ０ ． ５ ｈ后 粉体 比表 面 积 仍 高达 １ ４ ０ ｍ。 ／ ｇ ， 而采 用 水 解 法 合 成 氧 化 铝 粉体 的 比 表 面 积一般 在 １ ０ ０ ｍ。 ／ ｇ以下 。据 文献 ［ １ ３ ］ 报道， 具 有 高 比表 面积 的原 料有 利于 Ｎ。 和Ｃ Ｏ 的吸 附和流 通 ， 可 以促进 碳热 还原 氮化 反应进 行 ， 降低氮 化 物合 成 温度 。 因此 ， 若 以非 水 解 溶 胶 凝 胶 制 备 的 氧 化 铝 为铝 源 ， 则 可降 低氮化 铝 的碳 热 还 原 氮 化合 成 温 度 ， 缩 短 反 应 时
果表 明 ， 氧 化铝 凝 胶 经 ３ ０ ０ 。 Ｃ预 煅 烧 ， 按 ｎ （ Ｃ） ／ （ Ａ １ ）
一７ ． ８与 碳 黑 混 合 ， 在 流量 ８ ０ ｍＩ ／ ａｉ ｒ ｎ高 纯 Ｎ 中， 于
１ ４ ５ ０ 。 Ｃ还原 氮化 ２ ｈ便 可合 成 出平 均粒 径在 ４ ０ ０ ｎ ｍ 的
应 相对 易于控 制 ， 工 艺简 单 。尤其 重要 的是 。 由于 非水 解 溶胶一 凝胶 反应 是在 密 闭体 系 内进行 的 ， 通过体系 自
身 产生 的压力 场 ， 迅 速 引 发 反应 ， 瞬 问形 成 大 量 胶 核 ， 制 备 出颗 粒 更 为 细 小 、 比表 面 积 更 高 的氧 化 物 粉 体 。
高 纯 六 方 相 Ａｌ Ｎ粉 体 。 关 键词 ： 非水解 溶胶 一 凝胶 法 ； 碳 热还 原 氮化 法 ； 氮 化 铝； 超 细Biblioteka Baidu体 中 图分类 号 ： Ｔ Ｑ１ ７ ４ ． ７ ５ ８ ． １ ２ 文 献标识 码 ： Ａ
Ｄ０Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ ． ２ ０ １ ３ ． １ ７ ． ０ ２ ５
水铝 石将 碳 黑包 裹 形成 核壳 结 构 ， 在 １ ４ ５ ０ ℃碳 热 还 原
在 １ ２ ０ ０ 。 Ｃ附近 ， 经 ９ ０ ０ ℃ 煅 烧 后 比 表 面 积 仍 高 达
１ ４ ５ ｍ ／ ｇ ， 具 有介 孔 结 构 。 以该 高活 性 氧 化 铝 凝胶 作
为铝 源 ， 采 用 碳 热 还 原 氮 化 工 艺 合 成 氮 化 铝 粉 体 。 结
溶胶 一 凝 胶 法 制 备 出 氧 化 铝 凝 胶 。其 经 ８ ０ ０ ℃ 煅 烧 才 析
出 少量 一 Ａｌ Ｏ。晶 体 ， 一 Ａｌ 。 Ｏ。向 ａ — Ａｌ ｚ Ｏ。晶 型 转 变
氮化 制备 出 氮化 铝 纳 米 粉 体【 Ｊ 。 以硝 酸 铝 为原 料 ， 加
入Ｔ ｗｅ ｅ ｎ ８ ０作 为 表 面 活 性 剂 ， 使 水 解凝 胶 产 物 拟 薄
间。
为此 ， 本 文 以无水 氯化 铝和 异丙醚 为 原料 ， 采 用 非
水解溶 胶一 凝胶 法制 备 出活性 高 、 比表 面 积 大 的氧 化 铝 凝胶 ， 然后 ， 将该 凝 胶 与 炭 黑混 合 ， 利 用 碳 热 还 原 氮 化
成 Ａｌ Ｎ 粉体 。该 方法 原料来 源 广 、 成本低、 工 艺简 单 ， 合 成 粉体 纯度 较高 ， 粒度 分布 较均 匀 ， 团 聚少 Ｅ ５ ］ 。研 究 发现 ， 选 用 比表 面积 大 、 颗 粒 细 小 的前 驱 体 作 为 铝 源 ，
氮化 １ ０ ｈ制 备 出球 形 氮 化 铝 粉体 ］ 。但 是 ， 采 用 水 解 溶胶 一 凝 胶法 的 原料 水 解 聚合 反 应 迅 速 ， 不易控制 ， 制
备工 艺 复杂 ， 且 较难 获得 活性 高 的氧 化铝凝 胶前 驱体 。 鉴 于此 ， ２ Ｏ世纪 ９ Ｏ年 代初 ， Ｒ． Ｊ ． Ｐ ． Ｃ ｏ ｒ ｒ ｉ ｕ等 提 出 一 种 非 水 解 溶 胶一 凝 胶法 （ ｎ ｏ ｎ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｌ ｙ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｌ — ｇ ｅ ｌ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ， 简 称 ＮＨＳ Ｇ） ， 其无需控制水解反应 ， 聚 合 反
（ １ ． 河北联 合 大学 材料 科学 与工 程学 院 ， 河北 唐山 ０ ６ ３ ０ ０ ９ ；
２ ．中 国科 学 院特种 无机 涂层 重点 实验室 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ５ ０ ； ３ ．河北省 无机 非金 属材 料重 点实验 室 ， 河北 唐 山 ０ ６ ３ ０ ０ ９ ） 摘 要 ： 以无 水氯化 铝和 异 丙醚 为原料 ， 采 用 非水 解
１ 引 言
氮化铝 （ Ａｌ Ｎ） 陶瓷 具有 热 导率 高 、 热 膨 胀 系数 低 、 且与 半导 体硅 材料 相匹 配 ， 介 电性 能好 等优 良特性 ， 是 半 导 体集 成 电路和 大功 率 电子 器件 的理 想 封装 和散 热 材 料 。合成 纯 度 高 、 粒 径 小 及 分 散性 好 的 氮化 铝 粉 体 是制 备 高热 导率 Ａ１ Ｎ 陶瓷 的重要 前提 ］ 。 目前 ， 合成 氮化 铝 粉 体 的主 要 方 法 有 铝 粉直 接 氮 化法 】 、 高 温 自蔓延 合 成法 ［ ３ ］ 、 气 相 反应 法 和碳 热还 原氮 化法 ‘ 等 。其 中 ， 碳 热还原 氮 化法 通 常 以氧 化铝