一種低團(tuán)聚氮化鋁粉體的制備方法
1.本發(fā)明屬于陶瓷粉體制備領(lǐng)域，涉及一種低團(tuán)聚氮化鋁粉體的制備方法。
背景技術(shù)：
2.氮化鋁(aln)具有較高的熱導(dǎo)率、良好的電絕緣性、高硬度、低介電常數(shù)和介電損耗、化學(xué)性能穩(wěn)定以及與硅相近的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點，與其他陶瓷材料相比，氮化鋁綜合性能優(yōu)異，可制備新一代高集成度和功率器件理想的基板、復(fù)合材料和封裝材料。商業(yè)氮化鋁粉末由兩種方法合成，一種是直接氮化法，另一種是氧化鋁碳熱還原法。雖然直接氮化法原料豐富，工藝簡單，但是反應(yīng)過程中熔化的鋁使氮氣很難擴散，反應(yīng)產(chǎn)物在高溫下結(jié)塊，導(dǎo)致產(chǎn)物質(zhì)量下降。所以市場上很大一部分氮化鋁粉末供應(yīng)是來自于碳熱還原這種方法。
3.碳熱還原法是在1550～1800℃流動的氮氣中，氧化鋁和碳粉混合獲得氮化鋁粉末的過程，利用碳還原al2o3，被還原出的al與氮氣在流動狀態(tài)下反應(yīng)生成aln：
4.al2o3(s)+3c(s)+n2(g)
→
2aln(s)+3co(g)
5.該方法生產(chǎn)的氮化鋁粉末表現(xiàn)出純度高，易于燒結(jié)和穩(wěn)定性強等特性。但該方法難以實現(xiàn)氧化鋁和碳粉的均相混合，氧化鋁的活性低，需要在高溫氮氣中進(jìn)行長時間反應(yīng)，生產(chǎn)成本較高。目前，碳熱還原法合成氮化鋁粉體主要均相混合方法有干混和濕法球磨。干混混合工藝簡單，但混合均勻度較差，耗時長，容易有粉塵；當(dāng)均相混合采用球磨機濕法混合，雖無粉塵飛揚，但球磨后得到的漿料粘度較大，且高溫合成后得到的氮化鋁產(chǎn)物粒度分布寬、中位徑較大，一次粒子占比很低，團(tuán)聚顆粒較多，需要再次進(jìn)行球磨以打破團(tuán)聚顆粒。
6.發(fā)明人之前發(fā)現(xiàn)采用一些聚合物作為分散劑有助于制備分散性好的氮化鋁產(chǎn)物，在申請的cn113292053a中提出先將分散劑(聚乙烯醇pva、聚丙烯酸 paa、聚乙二醇peg)進(jìn)行預(yù)溶解，然后通過濕法球磨將碳黑顆粒均勻分散在氧化鋁顆粒之間，來改善最終氮化鋁產(chǎn)物的團(tuán)聚。但是這些聚合物分散劑預(yù)溶解需要一定的時間和溫度，比如pva需要在溶劑里預(yù)先溶脹1-2h，然后加熱到90-95℃，不斷攪拌2-3h，得到透明溶液。如果直接將其與氧化鋁和碳粉混合，容易出現(xiàn)絮凝，則最終的分散效果難以發(fā)揮出來。
7.針對cn113292053a專利中的混合難度大的問題，本發(fā)明提出采用聚乙烯吡咯烷酮(pvp)直接與原料混合，不但能夠顯著縮短產(chǎn)程，而且能夠得到粒度分布更窄、中位徑更小且一次粒子占比更高的氮化鋁產(chǎn)物。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
8.本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有工藝存在的不足，提出一種低團(tuán)聚氮化鋁粉體的制備方法，在溶劑中引入pvp分散劑，通過濕法球磨將碳黑顆粒均勻分散在氧化鋁顆粒之間，得到流動性較好的漿料，而后通過碳熱還原法得到粒度分布較窄、中位徑小且一次粒子占比較高的氮化鋁粉料。
9.本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
10.本發(fā)明將去離子水、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、al2o3、碳黑按照一定的質(zhì)量依次加入
球磨罐中，攪拌后通過行星球磨機濕法球磨，得到均勻、無白點且流動性良好的漿料。然后將漿料放入高溫烘箱中充分干燥，得到混合均勻的al2o3/ 碳黑粉料。再經(jīng)碳熱還原反應(yīng)得到aln/碳黑粉料，而后放入高溫箱式爐脫碳得到燒成氮化鋁陶瓷所用的原料粉體。
11.具體步驟如下：
12.步驟(1)、將去離子水、pvp、al2o3、碳黑按照一定的質(zhì)量加入球磨罐中，攪拌后通過行星球磨機濕法球磨，得到均勻、無白點且流動性良好的漿料a1。
13.步驟(2)、將上述漿料a1放入高溫烘箱中充分干燥，得到混合均勻的al2o3/ 碳黑粉料a2。
14.步驟(3)、將一定量的粉料a2放入石墨坩堝中，再將石墨坩堝放入石墨燒結(jié)爐內(nèi)，在流動的氮氣氛圍下，于1550～1625℃碳熱還原2～4h，得到氮化產(chǎn)物粉料a3。
15.步驟(4)、將一定量粉料a3放入高溫箱式爐中，于600～700℃保溫4～6h，去除氮化產(chǎn)物粉料a3中多余的碳，得到燒成氮化鋁陶瓷所用的原料粉體。
16.作為優(yōu)選，所述氧化鋁為超細(xì)納米粉，中位徑為300～800nm。
17.作為優(yōu)選，所述碳黑為超細(xì)納米粉，中位徑為20～100nm。
18.作為優(yōu)選，所述氧化鋁與碳黑的質(zhì)量比為100:40～100:60。
19.作為優(yōu)選，所述pvp的分子量為40000，其質(zhì)量含量為氧化鋁、碳黑總量的 1～10％，優(yōu)選4～6％。
20.作為優(yōu)選，所述al2o3、碳黑總量與去離子水的質(zhì)量比為100：300～100:450。
21.作為優(yōu)選，所述球磨介質(zhì)和去離子水、pvp、al2o3、碳黑總量的質(zhì)量比為 100：10～100:30。
22.作為優(yōu)選，所述球磨的轉(zhuǎn)速100～150r/min，時間0.5～2h。
23.作為優(yōu)選，所述烘干溫度為110～120℃。
24.本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：
25.(1)本發(fā)明采用的pvp無須預(yù)先長時間溶解，可直接與氧化鋁和碳粉進(jìn)行濕法球磨混合，在球磨過程中，pvp溶解并同步實現(xiàn)包覆在氧化鋁顆粒和碳黑顆粒表面，最終得到粘度低、流動性好的漿料(表1)。由于一次球磨混合得到的漿料分散性良好，因此，可在室溫下大大縮短混料時間。另外，由于pvp熔點在130℃附近，采用更高的干燥溫度(110～120℃)，也可提高生產(chǎn)效率。
26.(2)與非碳系無機分散劑相比，包覆在原料顆粒表面的pvp薄層不但能夠抑制氧化鋁顆粒的團(tuán)聚，而且在400-500℃之間會發(fā)生分解，因此，不會在氮化鋁產(chǎn)物中引入新的雜質(zhì)，也不會阻礙氮化鋁的生成。
27.(3)加入適量的pvp和去離子水，通過碳熱還原合成的氮化鋁粉體粒度分布較窄、中位徑較小、一次粒子占比大大提高，且氧含量較低，能夠滿足燒成性能優(yōu)良的氮化鋁陶瓷所用的原料粉體。
附圖說明
28.圖1是實施例2中合成粉體的形貌圖。
29.圖2是實施例4中合成粉體的形貌圖。
30.圖3是比較例1中合成粉體的形貌圖。
31.圖4是比較例2中合成粉體的形貌圖。
32.圖5是比較例3中合成粉體的形貌圖。
33.圖6是實施例1、2、3、4以及比較例1、2中合成粉體的粒徑分布圖。
34.圖7是pvp在25-800℃tg曲線圖。
具體實施方式
35.下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此。
36.以下實施例中球磨罐中球磨介質(zhì)與物料的質(zhì)量比為100：10～100:30；氧化鋁為超細(xì)納米粉，中位徑為300～800nm；碳黑為超細(xì)納米粉，中位徑為20～100 nm。
37.實施例1
38.稱取160g去離子水、1.6gpvp、25gal2o3、15g碳黑，依次加入球磨罐中，攪拌后通過行星球磨機濕法球磨2h，得到均勻、無白點且流動性良好的漿料。將得到的混合漿料放置于110℃高溫烘箱里烘干3h，得到al2o3/碳黑混合粉料。將5g混合粉料放入真空燒結(jié)爐中，在流動的氮氣氣氛下，氮氣流速控制在2 l/min，溫度控制在1600℃煅燒4h得到氮化產(chǎn)物。將1.5g氮化產(chǎn)物在高溫箱式爐650℃下保溫5h進(jìn)行除碳，得到高純度氮化鋁粉體。采用旋轉(zhuǎn)粘度儀測量球磨后漿料的粘度為109.2pa
·
s(1.0r/min)；采用激光粒度分析儀測量所得產(chǎn)物的粒度分布，中位徑粒度為2.87μm，2微米以下一次粒子占比為37.08％，5 微米以下粉體占比為69.88％。
39.實施例2
40.稱取160g去離子水、2.4gpvp、25gal2o3、15g碳黑，依次加入球磨罐中，攪拌后通過行星球磨機濕法球磨2h，得到均勻、無白點且流動性良好的漿料。將得到的混合漿料放置于110℃高溫烘箱里烘干3h，得到al2o3/碳黑混合粉料。將5g混合粉料放入真空燒結(jié)爐中，在流動的氮氣氣氛下，氮氣流速控制在2 l/min，溫度控制在1600℃煅燒4h得到氮化產(chǎn)物。將1.5g氮化產(chǎn)物在高溫箱式爐650℃下保溫5h進(jìn)行除碳，得到高純度氮化鋁粉體。采用旋轉(zhuǎn)粘度儀測量球磨后漿料的粘度為73.7pa
·
s(1.0r/min)；采用激光粒度分析儀測量所得產(chǎn)物的粒度分布，中位徑粒度為2.61μm，2微米以下一次粒子占比為39.03％，5 微米以下粉體占比為75.45％，其形貌見圖1。
41.實施例3
42.稱取160g去離子水、4gpvp、25gal2o3、15g碳黑，依次加入球磨罐中，攪拌后通過行星球磨機濕法球磨0.5h，得到均勻、無白點且流動性良好的漿料。將得到的混合漿料放置于120℃高溫烘箱里烘干2.5h，得到al2o3/碳黑混合粉料。將5g混合粉料放入真空燒結(jié)爐中，在流動的氮氣氣氛下，氮氣流速控制在 2l/min，溫度控制在1600℃煅燒4h得到氮化產(chǎn)物。將1.5g氮化產(chǎn)物在高溫箱式爐650℃下保溫5h進(jìn)行除碳，得到高純度氮化鋁粉體。采用旋轉(zhuǎn)粘度儀測量球磨后漿料的粘度為59pa
·
s(1.0r/min)；采用激光粒度分析儀測量所得產(chǎn)物的粒度分布，中位徑粒度為2.76μm，2微米以下一次粒子占比為38.48％，5 微米以下粉體占比為71.81％。
43.實施例4
44.稱取180g去離子水、2.4gpvp、25gal2o3、15g碳黑，依次加入球磨罐中，攪拌后通過
μm，2微米以下一次粒子占比為17.76％，5微米以下粉體占比為49.7％，其形貌見圖3。
53.比較例2
54.稱取聚乙烯醇1.6g，加入到160g的去離子水中超聲加熱分散成透明無雜質(zhì)溶液。將氧化鋁25g和碳黑15g分批次加入到球磨罐中，攪拌后通過行星球磨機濕法球磨2h，得到均勻、無白點的漿料。將漿料放置于65℃高溫烘箱里烘干 12h，得到al2o3/碳黑混合粉料。將5g混合粉料放入真空燒結(jié)爐中，在流動的氮氣氣氛下，氮氣流速控制在2l/min，溫度控制在1600℃煅燒4h得到氮化產(chǎn)物。將1.5g氮化產(chǎn)物在高溫箱式爐650℃下保溫5h進(jìn)行除碳，得到氮化鋁粉體。采用旋轉(zhuǎn)粘度儀測量球磨后漿料的粘度為130.65pa
·
s(1.0r/min)；采用激光粒度分析儀測量所得產(chǎn)物的粒度分布，中位徑粒度為2.77μm，2微米以下一次粒子占比為37.81％，5微米以下粉體占比為69.96％，其形貌見圖4。
55.比較例3：
56.稱取pvp 2.4g，加入到180g的去離子水中超聲3h，分散成透明無雜質(zhì)溶液。將氧化鋁25g和碳黑15g分批次加入到球磨罐中，攪拌后通過行星球磨機濕法球磨2h，得到均勻、無白點的漿料。將漿料放置于120℃高溫烘箱里烘干 2.5h，得到al2o3/碳黑混合粉料。將5g混合粉料放入真空燒結(jié)爐中，在流動的氮氣氣氛下，氮氣流速控制在2l/min，溫度控制在1600℃煅燒4h得到氮化產(chǎn)物。將1.5g氮化產(chǎn)物在高溫箱式爐650℃下保溫5h進(jìn)行除碳，得到氮化鋁粉體。采用旋轉(zhuǎn)粘度儀測量球磨后漿料的粘度為13.5pa
·
s(1.0r/min)；采用激光粒度分析儀測量所得產(chǎn)物的粒度分布，中位徑粒度為2.38μm，2微米以下一次粒子占比為43.48％，5微米以下粉體占比為76.51％，其形貌見圖5。
57.表1實施例1、2、3、4以及比較例1、2中球磨后漿料在轉(zhuǎn)速為1r/min下粘度對比
[0058][0059]
從表1中可以看出加pvp后漿料粘度降低，流動性提高，有利于在同樣球磨條件下混料更加均勻。當(dāng)不加pvp時，漿料粘度很大，無法測出，幾乎無流動性，混合效果較差。將pvp長時間預(yù)溶后進(jìn)行球磨，其漿料粘度與直接球磨樣無明顯差別。因此，采用pvp可以省去長時間的預(yù)溶工藝環(huán)節(jié)。
[0060]
從圖6可知實施例1-4中位徑粒度小于比較例，產(chǎn)物分散性更好。從圖7可知pvp在400-500度之間分解。
[0061]
由以上實施例和比較例的數(shù)據(jù)可以看出，pvp對混合原料的分散效果明顯，且優(yōu)于不加pvp或添加pva的樣品，得到的氮化鋁粒度分布窄、中位徑小、2 微米以下一次粒子和5微米以下粉體占比均較高，且對合成產(chǎn)物無不利影響，得到的氮化鋁粉體純度較高。
[0062]
上述實施例并非是對于本發(fā)明的限制，本發(fā)明并非僅限于上述實施例，只要符合本發(fā)明要求，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
