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[学位]

碳热还原氮化法制备AlN粉体及其烧结性能研究

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Author:

罗莉 (罗莉.)

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Abstract:

摘  要
氮化铝(AlN)具有优良的力学性能、较高的热导率、很强的绝缘性和较低的介电常数,是一种极具应用前景的结构/功能一体化陶瓷材料。碳热还原氮化法是AlN粉体商业化生产的主要制备方法之一,其合成的粉体粒度小,粒径分布均匀,球形度好,且具有优良的烧结性能。但目前国内碳热还原氮化法制备AlN粉体的技术与国际先进水平仍有较大差距,在粉体的形貌、粒度和纯度方面需要进一步提升,这就需要对该工艺的合成过程及机理进行深入研究。本文对常规碳热还原氮化法和前驱体碳热还原氮化法两种制备AlN粉体的工艺过程进行了详细研究。通过对原料的选择以及工艺参数的优化,以期提高AlN粉体的综合性能,同时探究了两种碳热还原氮化过程的反应机理,并对所制备AlN粉体的性能进行了相关研究。
以不同粒度和纯度的Al2O3粉为铝源、不同种类的炭材料(炭黑、活性炭)为碳源,在氮气气氛下,采用常规碳热还原氮化工艺制备了AlN粉,研究了不同铝源和碳源、以及制备工艺参数对产物纯度及形貌的影响。结果表明:常规碳热还原氮化反应中,铝源和碳源的形貌对AlN产物的形貌基本没有影响,最终产品形貌均为近球形。原料的选择影响着产物的纯度,铝源纯度越高,合成的AlN粉体纯度也越高;与炭黑相比,活性炭能够在较低温度下使Al2O3完全转变为AlN。反应温度和时间对氮化速率的影响较大。以活性炭粉为碳源,以高纯Al2O3(99.99%)为铝源,在1600℃下保温3h就能够得到完全氮化的平均粒径约为0.6μm的球形AlN粉体。升温速率对产物的形貌影响较大,升温速率由8℃·min-1降到2℃·min-1时,粉体粒径有明显长大。通过DSC/TG分析以及热力学函数的计算,可以推断碳热还原氮化反应机理为:Al2O3和碳在低温下生成气相Al2O(g),在高温下生成气相Al(g),然后由气相Al2O(g)和Al(g)与碳和氮气生成AlN。
以硝酸铝、尿素、葡萄糖为原料,首先采用低温燃烧合成法制备含铝和碳的前驱体,随后在一定的氮气及高温条件下进行碳热还原氮化反应,成功制备出亚微米级的AlN粉体。研究了前驱体的制备温度、尿素含量和葡萄糖含量对产物纯度和形貌的影响,并获得了制备AlN粉体的优化工艺参数。结果表明,当铝源:碳源:尿素(Al:C:U)的摩尔比为1:5.5:2时,在300℃下制备前驱体,在0.2MPa的氮气气氛中,于1500℃下保温2h,进行碳热还原氮化反应,可得到形貌分布均匀,平均粒径约为0.5μm的近球形AlN粉体。通过DSC/TG和FT-IR分析可知,前驱体中含有葡萄糖残余还有碳和氧化铝的生成。该碳热还原反应过程中因碳源和铝源是以分子级别混合在一起,所以氮化温度低,与常规碳热还原氮化法相比只只有Al2O气相生成。
在此基础上,将所制备的AlN粉与日本进口AlN粉和自制自蔓延燃烧合成AlN粉对比发现,本研究采用的碳热还原氮化工艺制备的AlN粉,球形度较好,粒径小且分布均匀,具有很好的烧结性能,能够在较低温度下实现烧结致密化。例如,常规碳热还原氮化法制备的AlN粉体通过等离子活化烧结(PAS)工艺在1500℃就能够得到致密度为3.24g·cm-3的AlN陶瓷,且具有较高的热导率(69W·m-1·K-1);而前驱体碳热还原氮化法制备的AlN粉体通过PAS烧结,在1450℃就能够得到致密度为3.27g·cm-3的AlN陶瓷。

关 键 词:AlN;碳热还原;烧结;机理
论文类型:应用研究

Keyword:

AlN 机理 烧结 碳热还原

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  • [ 1 ] 西安交通大学材料科学与工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学硕士

Mentor: 史忠旗

Year: 2015

Language: Chinese

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