煅烧方式和添加剂对碳热还原法制备氮化铝粉末的影响

第２６卷第５期２００８年１０月

粉末冶金技术

ＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

＂Ｃ０１．２６，Ｎｏ．５

Ｏｃｔ．２００８

煅烧方式和添加剂对碳热还原法

制备氮化铝粉末的影响

肖劲＊陈燕彬＊＊周峰彭忠东李劫刘业翔

（中南大学冶金科学与工程学院，长沙４１００８３）

摘要：以工业氢氧化铝和乙炔黑为铝源和碳源，采用碳热还原法制备了氮化铝粉末，讨论了煅烧方式和添加荆对制备氮化铝粉末的碳热还原反应的影响。利用原料的差热一热重分析，制定了有利于氮化反应的升温制度：８７０℃之前缓慢升温，８７０１２至反应温度为快速升温过程。通过对所合成的产物进行ＸＲＤ检测分析表明：与传统电阻炉煅烧相比，采用微波煅烧能有效降低氮化铝粉末的合成时间和合成温度；结合添加剂Ｄ的加入，可使得前驱物在合成温度为１４００１２、反应时间为１ｈ的普通氮气气氛下完全转化为氮化铝，添加剂Ｄ具有良好的氮化铝催化合成效果，能有效地提高氮化率。

关键词：碳热还原法；微波煅烧；添加剂；氮化铝粉末

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氮化铝是一种具有六方纤锌矿结构的共价化合物，密度为３．２６９／ｃｍ３，在常压下的分解温度为２４８０＂Ｃ【１－２］。作为高性能陶瓷，氮化铝陶瓷具有高的热导率、高的机械强度、低的热膨胀系数、低的介电常数和介电损耗、无毒、绝缘等一系列优良特性，故被视为新一代理想的半导体散热基片和电子器件封装材料，广泛应用于电子工业中并日益受到重视Ｌ３－６］。要获得性能如此优良的～Ｎ陶瓷，首要条件是制备性能优良的趾Ｎ陶瓷粉末。制备～Ｎ粉末的方法很多，研究最多的有下列５种：直接氮化法；氧化铝碳热还原法；高温自蔓延法；等离子合成法；气溶胶法。其中，只有铝粉直接氮化法和氧化铝

鲁肖劲（１９６７一），男，教授，博士后。

＊＊通讯作者：陈燕彬（１９８１一），女，硕士研究生。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｂｉｎ２５２＠ｙａｈｏｏ．００ｍ．ＣＴｔ收稿日期：２００７—０７—２７

第２６卷第５期肖劲等：煅烧方式和添加剂对碳热还原法翩备氮化铝粉末的影响３３３碳热还原法已用于工业化生产氮化铝粉末【７】，目前

国际上供应的氮化铝粉末的７０％用氧化铝碳热还原法生产【８Ｊ，已成为最主要的工业化生产方法。因为这种方法不仅具有原料来源广、成本低（可以用比她０３成本更低的铝土矿作原料）、工艺过程简单等优点，而且合成的粉末在纯度、粒度、稳定性和烧结性能等方面占较大的优势。但是，这种方法也存在一些不足，比如反应温度高、合成时间长等。所以一直以来，如何降低碳热还原法的反应温度、缩短合成时间成为优化碳热还原反应的重点。

碳热还原法反应过程比较复杂，影响反应的因素有很多，如原料种类［９Ｊ、反应温度、反应时间［１０］、添加剂［１１］等。但是，考察煅烧方式对碳热还原反应过程的影响未见报道。本文作者从工业角度出发，以廉价的工业氢氧化铝和乙炔黑为原料，研究了煅烧方式和添加剂对碳热还原反应法制备氮化铝粉末的影响，并采用合适的制备工艺在合成温度为１４００℃、反应时间为１ｈ的氮气气氛下获得晶相结构完整的氮化铝。１试验

１．１试验原料及设备

试验所用原料主要有：氢氧化铝（～（０Ｈ）３，工业纯）；乙炔黑（Ｃ，工业纯）；高纯Ｎ２（纯度≥９９．９９％）；普通Ｎ２（纯度约为９８％）；添加剂Ｄ、Ｅ和Ｆ。

试验所用主要设备有行星式球磨机、立式管状电阻炉、微波高温烧结炉、马弗炉。

１．２试验过程

首先，制备前驱物。按照一定比例分别称取氢氧化铝和乙炔黑（考察添加剂的影响时加入一定含量的添加剂），以无水乙醇为球磨介质，球磨５ｈ。将球磨后的料浆于８０℃干燥１２ｈ后得到前驱物粉末。

将前驱物进行碳热还原反应。在这一过程中，将前驱物粉料装入刚玉坩埚中，分别在两个体系中进行碳热还原反应，即传统电阻炉和微波高温炉煅烧（以下分别简称传统煅烧和微波煅烧）。各体系煅烧工艺条件如表１所示。

表１传统和微波煅烧工艺条件

Ｔａｂｌｅ１Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｎｄｍｉｃｒｏｗａｖｅｃａｌｃｉｎｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎ

碳热还原反应之后，得到的氮化产物为黑色含碳混合粉末，故需脱碳处理。将氮化产物在干燥空气中６５０＂Ｃ下进行脱碳，脱碳时间为４ｈ，得到灰白色舢Ｎ粉末。

采用美国ＳＤＴＱ６００型同步热分析仪，对氢氧化铝进行差热一热重（ＴＧ巾ＴＡ）分析，以确定升温制度；脱碳后的粉末在日本产３０１４一ｚ２型Ｘ射线衍射仪上进行物相分析（ＸＲＤ），ＣｕＫａ辐射；用Ｘ射线衍射方法确定产物中氮化铝与氧化铝的含量，由衍射峰强度及参比强度（ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＩｎｔｅｎｓｉｔｙ）计算。

２结果与讨论

２．１氢氧化铝的ＴＧ／ＤＴＡ分析

为确定升温制度，有必要对氢氧化铝的相变温度进行考察，因为氢氧化铝在加热时的相变过程对碳热还原反应的影响很大。图１为氢氧化铝的差热一热重分析图。由图可以看出，ＤＴＡ曲线在１８００Ｃ左右出现吸热峰，对应的ＴＧ曲线在该温度段骤然下降，失重率约为０．２４，这与氢氧化铝分解生成越ＯｏＨ反应的理论失重率（０．２３）很接近，由此推测氢氧化铝在此温度段分解为灿ｏｏＨ。

图１氢氧化铝的差热一热重分析图

Ｆｉｇ．１ＴＧ／ＤＴＡｓｎａｌｙｓｉｓｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｈｙｄｒｏｘｉｄｅ

ＤＴＡ曲线在３２０℃左右又出现一个吸热峰，对应的ＴＧ曲线在该温度段的失重率约为０．１５，可知