專利名稱：氮化鋁晶須的制備方法
技術領域：
本發明設計一種氮化鋁晶須的制備方法，屬陶瓷材料技術領域。
AlN具有高的熱導率，優良的介電性能、壓電性能，高的表面波速、大的禁帶寬度等優點，其陶瓷材料成為混合集成電路、高密度封裝材料和大功率電路模塊的新一代基板材料以及功能薄膜材料。在AlN粉體與陶瓷的研究中，人們發現了AlN晶須。隨著越來越多的晶須材料在復合材料中的應用，AlN晶須作為一種新型的功能晶須，以其特有的功能特性有希望作為新型復合材料的增強體或功能復合晶須材料。AlN晶須有多種制備方法，其中最典型的是升華凝聚法、CVD法和碳熱還原法。升華凝聚法必須采用AlN粉體作為原料，成本高。此外，合成生長溫度高，要嚴格控制生長區的溫度梯度，這對使用設備提出了很高的要求；CVD法一般采用高純原料，生產產率較低；以往的碳熱還原法通常采用價格較低的α-Al2O3、石墨作為原料，但反應所需溫度高于1700℃，產率低，且晶須形態不完整。
本發明的目的是研究一種氮化鋁晶須的制備方法，利用比較廉價的原料，通過添加適當的礦化劑，在較低的1550℃～1700℃寬溫度范圍內，碳熱還原法，獲得高產率的、晶須結構形態完善的AlN晶須。
本發明設計的氮化鋁晶須的制備方法，由以下各步驟組成1.將α-Al2O3或γ-Al2O3與石墨粉或活性炭相混合，其混合比例為Al2O3∶C＝1～5∶1，Al2O3的粒度為0.1～100μm；2.將上述混合料與礦化劑相混合，其比例為混合料85～100wt％礦化劑0～10wt％礦化劑為Y2O3、Dy2O3、Ca2O3、CaCO3、CaF2、Li2O、B2O3或金屬鋁粉中的任何一種或幾種混合組成；3.用乙醇作為介質，對上述第二步配制好的粉體原料用球磨機混合，粉體原料與乙醇的重量組份比為1∶0.4～0.8，球磨20～30小時后用干壓法制成薄片或薄坯；4.將坯片放入石墨坩堝中，在氮氣流量為0.5～1.5升/分的氣氛中，1550～1700℃溫度下，保溫1～5小時，合成氮化鋁晶須；5.在600～700℃下保溫2～5小時，排除殘余碳，即得氮化鋁晶須。
以往關于AlN晶須制備方法的報道都著重于實驗室的基礎研究，對原材料和使用設備都提出了很高的要求，且對于每種方法的實際產率則未見報導，這使原有的AlN晶須的制備方法在通往實用化的道路上遇到了很大的阻礙。而本方法通過采用合適的礦化劑，使原材料在很大的范圍內具有可選擇性，降低了晶須的反應合成溫度；采用干壓或流延成型法制成的薄坯或薄片進行高溫合成。具有合成工藝簡單，重復性好，高產率，低成本等優點。
1.原材料的可選擇范圍大。在本方法中原材料的純度與粒度，包括Al2O3、C及礦化劑對AlN晶須的生長、質量及產率幾乎不產生影響，這是因為大部分的雜質以及礦化劑在晶須合成溫度下大都形成氣相隨流動氮氣排到爐外。因此，在本方法中可以采用價廉的化學純或工業純原料作為合成AlN晶須的原料，降低原材料成本；同時由于對原材料的要求不高，又降低了對合成AlN晶須的工藝過程的要求，使得該方法在工藝操作上易于掌握和實現。
(1)采用α-Al2O3或γ-Al2O3、石墨粉或活性炭為原料，對原料的純度及粒度無嚴格要求。其中，α-Al2O3的平均粒度在0.1～100μm，石墨粉的平均粒度在30～60μm；純度在90～100％范圍。
(2)配方中Al2O3∶C可變化范圍大。一般Al2O3∶C重量比的變化范圍在1～5∶1之間。根據不同的配比選擇不同的合成溫度。
2.本發明通過添加合適的礦化劑，使AlN晶須生長初期主要通過VLS機制形核生長。這些礦化劑在高溫下易于與Al2O3形成低熔點化合物，從而為AlN晶須的氣液固反應提供了液相生長媒介。隨著保溫時間的延長，這些低熔點化合物將逐漸揮發，隨流動氣氛排除爐外。在生長后期，液相將完全消失，而在生長上起主導作用的將是螺位錯機制。因此，可獲得高純度、結構完整的AlN晶須。
可采用Y2O3、Dy2O3、Ga2O3稀土金屬氧化物，CaCO3、CaF2、Li2O堿金屬和堿土金屬氧化物或氟化物，B2O3等III族氧化物及金屬鋁粉中的一種或幾種混合組成作為礦化劑，添加量在0～10wt％之間。
在本方法中，所選擇的礦化劑對AlN晶體具有很高的化學惰性，不與AlN發生化學反應，可保證AlN晶須的純度和結構完整性。
3.有別于其他的制備方法，本方法工藝簡單。整個工藝過程與常規陶瓷的制備過程相仿。而對于操作嚴密程度的要求則遠低于其它晶須的合成工藝。如混料的均勻程度、壓坯的質量，合成溫度和保溫時間的控制等。同時該方法無需專用設備，只要利用制造陶瓷的設備即可達到本方法的設備要求本發明可在1550℃～1700℃溫度范圍內選擇某一溫度，保溫1～5小時，合成AlN晶須。工藝過程對升溫及降溫制度沒有嚴格要求。
4.AlN晶須與基體的分離簡單。在反應溫度下，除大部分生長成AlN晶須外，坯體中由于液相的存在，在碳熱還原作用下，產生反應燒結的效果，反應后坯體部分成為粒狀AlN的塊體，使AlN晶須極易從坯體上分離出來。
由于本發明具有的以上特點，與以往的AlN晶須制備方法相比，它工藝簡單，成本低廉；AlN晶須合成產率高，質量好。
圖1是本發明制備的AlN晶須的SEM形貌圖。
下面介紹
具體實施例方式實施例1采用α-Al2O3粉體和石墨粉作為原料，兩種粉體原料的平均顆粒尺寸分別為2.5和45微米，純度分別為99.5和98wt％；以B2O3和CaF2作為礦化劑。按照重量百分比α-Al2O3∶石墨∶B2O3∶CaF2＝68∶17∶10∶5稱量四種原料。將配制好的原料裝入球磨罐中，按粉體原料和工業酒精的重量組分比為1∶0.5加入工業酒精，經24小時球磨混合后烘干過篩，然后采用干壓成型法制成φ20mm×1mm的薄坯。將薄坯裝入石墨坩堝中，放在石墨氣氛爐中。在流動氮氣氣氛下，氮氣流量為0.5 l/mim，1650℃，恒溫5小時合成AlN晶須。最后，將合成產物置于電阻爐中，空氣氣氛下，600℃，保溫4小時排除殘余的C，最終獲得純凈的AlN晶須。按晶須產率＝AlN晶須中Al原子的mol數/原料中的Al原子的mol數×100％計算，本實施例的晶須產率為36％。所獲得的晶須如圖1所示。
實施例2采用α-Al2O3粉體和石墨粉作為原料，兩種粉體原料的平均顆粒尺寸分別為2.5和45微米，純度分別為99.0和97.0wt％；以CaCO3作為礦化劑。按照重量百分比α-Al2O3∶石墨∶CaCO3＝60∶30∶10稱量三種原料。將配制好的原料裝入球磨罐中，按粉體原料和工業酒精的重量組分比為1∶0.5加入工業酒精，經24小時球磨混合后烘干過篩，然后采用干壓成型法制成φ20mm×1mm的薄坯。將薄坯裝入石墨坩堝中，放在石墨氣氛爐中。在流動氮氣氣氛下，氮氣流量為0.6 l/mim，1700℃，恒溫3小時合成AlN晶須。最后，將合成產物置于電阻爐中，空氣氣氛下，600℃，保溫4小時排除殘余的C，最終獲得純凈、形貌完善的AlN晶須，晶須的形貌與圖1結果相似。按晶須產率＝AlN晶須中Al原子的mol數/原料中的Al原子的mol數×100％計算，本實施例所獲得的晶須產率為49％。
實施例3采用粗剛玉砂和石墨粉作為原料，兩種粉體原料的平均顆粒尺寸分別為100和45微米，純度分別為90.0和98.0wt％；以CaCO3作為礦化劑。按照重量百分比粗剛玉砂∶石墨∶CaCO3＝67.5∶22.5∶10稱量三種原料。將配制好的原料裝入球磨罐中，按粉體原料和工業酒精的重量組分比為1∶0.5加入工業酒精，經24小時球磨混合后烘干過篩，然后采用壓成型法制成φ20mm×1mm的薄坯。將薄坯裝入石墨坩堝中，放在石墨氣氛爐中。在流動氮氣氣氛下，氮氣流量為0.5 l/mim，1600℃，恒溫5小時合成AlN晶須。最后，將合成產物置于電阻爐中，空氣氣氛下，600℃，保溫4小時排除殘余的C，最終獲得純凈、形貌完善的AlN晶須，晶須的形貌與圖1結果相似。按晶須產率＝AlN晶須中Al原子的mol數/原料中的Al原子的mol數×100％計算，本實施例的晶須產率為53％。
實施例4采用γ-Al2O3粉體和石墨粉作為原料，兩種粉體原料的平均顆粒尺寸分別為0.04和40微米，純度分別為99.5和98.0wt％；以CaCO3作為礦化劑。按照重量百分比γ-Al2O3∶石墨∶CaCO3＝75∶15∶10稱量三種原料。將配制好的原料裝入球磨罐中，按粉體原料和工業酒精的重量組分比為1∶0.6加入工業酒精，經24小時球磨混合后烘干過篩，然后采用干壓成型法制成φ20mm×1mm的薄坯。將薄坯裝入石墨坩堝中，放在石墨氣氛爐中。在流動氮氣氣氛下，氮氣流量為0.6 l/mim，1550℃，恒溫1小時合成AlN晶須。最后，將合成產物置于電阻爐中，空氣氣氛下，600℃，保溫4小時排除殘余的C，最終獲得純凈、形貌完善的AlN晶須，晶須的形貌與圖1結果相似。按晶須產率＝AlN晶須中Al原子的mol數/原料中的Al原子的mol數×100％計算，本實施例所獲得的晶須產率為64％。
權利要求
1.一種氮化鋁晶須的制備方法，其特征在于該方法由以下各步驟組成(1)將α-Al2O3或γ-Al2O3與石墨粉或活性炭相混合，其混合比例為Al2O3∶C＝1～5∶1，Al2O3的粒度為0.1～100μm；(2)將上述混合料與礦化劑相混合，其比例為混合料85～100wt％礦化劑0～10wt％礦化劑為Y2O3、Dy2O3、Ca2O3、CaCO3、CaF2、Li2O、B2O3或金屬鋁粉中的任何一種或幾種混合組成；(3)用乙醇作為介質，對上述第二步配制好的粉體原料用球磨機混合，粉體原料與乙醇的重量組份比為1∶0.4～0.8，球磨20～30小時后用干壓法制成薄片或薄坯；(4)將坯片放入石墨坩堝中，在氮氣流量為0.5～1.5升/分的氣氛中，1550～1700℃溫度下，保溫1～5小時，合成氮化鋁晶須；(5)在600～700℃下保溫2～5小時，排除殘余碳，即得氮化鋁晶須。
全文摘要
本發明設計一種氮化鋁晶須的制備方法,該方法是以Al
文檔編號C04B35/581GK1203209SQ98103409
公開日1998年12月30日 申請日期1998年7月24日 優先權日1998年7月24日
發明者周和平, 陳璐, 傅仁利, 汪雨荻, 陳浩, 吳音 申請人:清華大學