阅读说明：本技术 一种高纯度氮化铝粉体及其制备方法 (high-purity aluminum nitride powder and preparation method thereof ) 是由 刘荣辉 刘元红 蒋周青 李楠 江泽 于 2019-06-06 设计创作，主要内容包括：本发明属于粉体材料加工技术领域,具体涉及一种高纯度氮化铝粉体,并进一步公开其制备方法。本发明所述高纯度氮化铝粉体的制备方法,以氧化铝为原料,并通过第一次与纳米级碳粉混合、第二次与微米级碳粉混合的分级混合方式,能够在反应物中形成更多的间隙,有效促进高温反应产物一氧化碳的排出和反应气体氮气与固相原料的交换,有助于提高原料的氮化率,从而得到高纯度的氮化铝粉体。制得的氮化铝粉体性能优良,有利于烧结得到致密的氮化铝陶瓷基板,提高基板的热导率,并作为大功率电子器件的散热基片广泛使用。(the invention belongs to the technical field of powder material processing, and particularly relates to high-purity aluminum nitride powder and a preparation method thereof. The preparation method of the high-purity aluminum nitride powder takes the aluminum oxide as the raw material, and can form more gaps in reactants through a grading mixing mode of mixing with the nanoscale carbon powder for the first time and mixing with the micron-sized carbon powder for the second time, effectively promote the discharge of high-temperature reaction products, namely carbon monoxide, and exchange of reaction gas, namely nitrogen and solid-phase raw materials, and contribute to improving the nitridation rate of the raw materials, so that the high-purity aluminum nitride powder is obtained. The prepared aluminum nitride powder has excellent performance, is beneficial to obtaining a compact aluminum nitride ceramic substrate by sintering, improves the thermal conductivity of the substrate, and is widely used as a heat dissipation substrate of a high-power electronic device.)

一种高纯度氮化铝粉体及其制备方法

技术领域

本发明属于粉体材料加工技术领域，具体涉及一种高纯度氮化铝粉体，并进一步公开其制备方法。

背景技术

随着现代电子技术的飞速发展，电子器件整体朝着微型化、轻型化、高集成度、高密度、大功率、高可靠性方向发展。并且，随着电子器件结构的愈来愈复杂，又将导致基板尺寸增大和集成度的提高，进一步使得基板的耗散功率增加。因此，对电子器件尤其是基板的散热性能提出了更高的要求。

由于氮化铝陶瓷的导热系数比氧化铝陶瓷高8-10倍，而体积电阻率、击穿场强、介电损耗等电气性能也可与氧化铝陶瓷媲美，更具有介电常数低、机械强度高、热膨胀系数接近硅、可进行多层布线的优势，能够满足大功率器件的散热需求，被视为新一代具有良好发展前景的优良绝缘散热基片材料。因此被广泛应用于高铁、新能源汽车、智能电网、风力发电、大功率LED等领域。

氮化铝粉体是氮化铝陶瓷基板成型的核心材料，对基板的性能具有决定性影响。因此，高性能的AlN粉体是制备高导热率氮化铝陶瓷的关键。现有技术中制备氮化铝粉体的方法主要有铝粉直接氮化法、碳热还原法、化学气相沉积法、自蔓延燃烧合成法和微波合成法等。其中，铝粉直接氮化法和碳热还原法实现了工业化生产，并以碳热还原法的应用最为广泛。

碳热还原法是在1600-1800℃高温下，将氧化铝和碳的混合物料在氮气流中进行反应4-10h，得到含有过量碳的氮化铝粉末，然后在600-900℃温度下进行保温10-16h，并经脱碳后得到氮化铝粉体。碳热还原法具有原料来源广、价格低、工艺过程简单、适合大规模生产的特点，且合成的氮化铝粉体为近球形且粒度细小、分散性好，在纯度、粒度以及稳定性等方面占有较大优势，有助于烧结成型的基板致密化。

然而，碳热还原法中氧化铝和碳粉混合后，粉末会堆积在反应设备中，在高温氮气氛围下进行焙烧，由于原料之间间隙小，不利于生成产物一氧化碳气体的排出以及氮气与氧化铝、碳粉的物质交换，常导致氮化反应不彻底。为了解决上述问题，如中国专利CN106882773A中公开了一种将氧化铝和碳粉经高温真空条件下进行反应并研磨的方法，并在氮气气氛下进行高温氮化；但该方法依然存在着反应物之间空隙少，导致无法氮化完全的问题。又如中国专利CN105836717A中方案，为了提高反应物的氮化率，该方法在氧化铝和碳粉的混合物中加入铝粉以促进氮化率；但是由于铝粉在660℃左右会熔化导致生成的氮化铝结块严重，导致得到的氮化铝粉体并不适用于制备基板之用。因此，开发一种高效制备高纯度氮化铝粉体的方法具有积极的意义。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种制备高纯度氮化铝粉体的方法，以解决现有技术中常规碳热还原法制备的氮化铝粉体纯度略低的问题。

为解决上述技术问题，本发明所述的一种制备高纯度氮化铝粉体的方法，包括如下步骤：

(1)取氧化铝粉体和纳米碳源，并加入研磨球，充分混合，过筛后得到第一混合料；

(2)向所述第一混合料中加入微米碳源，进行充分混合，过筛后得到第二混合料；

(3)将所述第二混合料，在氮气气氛下，于1550-1700℃下进行焙烧；

(4)将步骤(3)中得到的焙烧产物，在空气气氛下，于600-800℃进行保温反应，经除碳处理，得到高纯度氮化铝粉体。

所述步骤(1)中，所述氧化铝粉体的中值粒径D50为0.2-0.4μm。

所述步骤(1)中，所述纳米碳源的中值粒径D50为10-50nm。

所述步骤(1)中，所述氧化铝粉体与纳米碳源的质量比为2：0.6-1.0。

所述步骤(1)中，所述研磨球为直径5-20mm的氧化铝球或氮化铝球。

所述步骤(1)中，所述研磨球与所述氧化铝分体和所述纳米碳源的混合料的质量比为2：0.5-1.5。

所述步骤(2)中，所述微米碳源的中值粒径D50为0.5-5μm。

所述步骤(2)中，所述第一混合料与所述微米碳源的质量比为2：0.1-0.3。

所述步骤(3)中，所述焙烧步骤的时间为8-15h；

所述步骤(4)中，所述保温反应的时间为3-5h。

本发明所述高纯度氮化铝分体的制备方法，以氧化铝为原料，并通过第一次与纳米级碳粉混合、第二次与微米级碳粉混合的分级混合方式，能够在反应物中形成更多的间隙，有效促进高温反应产物一氧化碳的排出和反应气体氮气与固相原料的交换，有助于提高原料的氮化率，从而得到高纯度的氮化铝粉体。制得的氮化铝粉体性能优良，有利于烧结得到致密的氮化铝陶瓷基板，提高基板的热导率，并作为大功率电子器件的散热基片广泛使用。

本发明所述的制备氮化铝粉体的方法，不仅工序简单、对设备要求低，且原料成本低、能耗低，更适合于大规模工业化生产。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1为实施例1制得氮化铝粉体的XRD衍射图谱；

图2为实施例1制得氮化铝粉体的微观形貌图。

具体实施方式

实施例1

本实施例所述高纯度氮化铝的制备方法，包括如下步骤：

(1)准确称取200g中值粒径D50为0.2μm的氧化铝粉体，以及60g中值粒径D50为10nm的纳米碳粉，并添加800g直径为10mm的氧化铝球作为研磨球，置于混合装置中，球磨混合24h，过筛，得到第一混合料；

(2)取200g过筛后的所述第一混合料，并添加25g中值粒径D50为5μm的微米碳粉，二次混合30min，过筛，得到第二混合料；

(3)将得到的第二混合料在1650℃温度下，于氮气气氛中进行焙烧10h；

(4)待所得焙烧产物降温后，将所得焙烧产物置于马弗炉中，在空气条件下700℃保温反应5h，经氧化除碳后得到高纯氮化铝粉体，经过测试得到粉体中氧含量为0.85％。

本实施例所得氮化铝粉体的XRD衍射图谱及微观形貌图分别见附图1和2所示。

从图1中可以看出，本实施例制备的粉体物相为氮化铝纯相，没有其他物相的衍射峰存在。这表明，经过实施例中的步骤原料氧化铝已经完全转变为了氮化铝。从图2中看出，所得粉体单颗粒粒度在1～2微米，颗粒间具有良好的分散性。

实施例2

本实施例所述高纯度氮化铝的制备方法，包括如下步骤：

(1)准确称取200g中值粒径D50为0.4μm的氧化铝粉体，以及80g中值粒径D50为20nm的纳米碳粉，并添加700g直径为15mm的氧化铝球作为研磨球，置于混合装置中，球磨混合24h，过筛，得到第一混合料；

(2)取200g过筛后的所述第一混合料，并添加20g中值粒径D50为2μm的微米碳粉，二次混合30min，过筛，得到第二混合料；

(3)将得到的第二混合料在1550℃温度下，于氮气气氛中进行焙烧15h；

(4)待所得焙烧产物降温后，将所得焙烧产物置于马弗炉中，在空气条件下800℃保温反应2h，经氧化除碳后得到高纯氮化铝粉体，经过测试得到粉体中氧含量为0.92％。

实施例3

本实施例所述高纯度氮化铝的制备方法，包括如下步骤：

(1)准确称取200g中值粒径D50为0.3μm的氧化铝粉体，以及60g中值粒径D50为30nm的纳米碳粉，并添加520g直径为10mm的氧化铝球作为研磨球，置于混合装置中，球磨混合24h，过筛，得到第一混合料；

(2)取200g过筛后的所述第一混合料，并添加25g中值粒径D50为1μm的微米碳粉，二次混合30min，过筛，得到第二混合料；

(3)将得到的第二混合料在1700℃温度下，于氮气气氛中进行焙烧8h；

(4)待所得焙烧产物降温后，将所得焙烧产物置于马弗炉中，在空气条件下600℃保温反应5h，经氧化除碳后得到高纯氮化铝粉体，经过测试得到粉体中氧含量为0.81％。

实施例4

本实施例所述高纯度氮化铝的制备方法，包括如下步骤：

(1)准确称取200g中值粒径D50为0.3μm的氧化铝粉体，以及70g中值粒径D50为40nm的纳米碳粉，并添加360g直径为5mm的氧化铝球作为研磨球，置于混合装置中，球磨混合24h，过筛，得到第一混合料；

(2)取200g过筛后的所述第一混合料，并添加15g中值粒径D50为0.5μm的微米碳粉，二次混合30min，过筛，得到第二混合料；

(3)将得到的第二混合料在1600℃温度下，于氮气气氛中进行焙烧8h；

(4)待所得焙烧产物降温后，将所得焙烧产物置于马弗炉中，在空气条件下700℃保温反应4h，经氧化除碳后得到高纯氮化铝粉体，经过测试得到粉体中氧含量为0.84％。

实施例5

本实施例所述高纯度氮化铝的制备方法，包括如下步骤：

(1)准确称取200g中值粒径D50为0.25μm的氧化铝粉体，以及70g中值粒径D50为50nm的纳米碳粉，并添加600g直径为20mm的氧化铝球作为研磨球，置于混合装置中，球磨混合24h，过筛，得到第一混合料；

(2)取200g过筛后的所述第一混合料，并添加10g中值粒径D50为2μm的微米碳粉，二次混合30min，过筛，得到第二混合料；

(3)将得到的第二混合料在1650℃温度下，于氮气气氛中进行焙烧10h；

(4)待所得焙烧产物降温后，将所得焙烧产物置于马弗炉中，在空气条件下650℃保温反应4h，经氧化除碳后得到高纯氮化铝粉体，经过测试得到粉体中氧含量为0.82％。

实施例6

本实施例所述高纯度氮化铝的制备方法，包括如下步骤：

(1)准确称取200g中值粒径D50为0.28μm的氧化铝粉体，以及75g中值粒径D50为40nm的纳米碳粉，并添加500g直径为15mm的氧化铝球作为研磨球，置于混合装置中，球磨混合24h，过筛，得到第一混合料；

(2)取200g过筛后的所述第一混合料，并添加20g中值粒径D50为2μm的微米碳粉，二次混合30min，过筛，得到第二混合料；

(3)将得到的第二混合料在1650℃温度下，于氮气气氛中进行焙烧8h；

(4)待所得焙烧产物降温后，将所得焙烧产物置于马弗炉中，在空气条件下700℃保温反应2h，经氧化除碳后得到高纯氮化铝粉体，经过测试得到粉体中氧含量为0.83％。

实施例7

本实施例所述高纯度氮化铝的制备方法，包括如下步骤：

(1)准确称取200g中值粒径D50为0.35μm的氧化铝粉体，以及100g中值粒径D50为50nm的纳米碳粉，并添加400g直径为10mm的氧化铝球作为研磨球，置于混合装置中，球磨混合24h，过筛，得到第一混合料；

(2)取200g过筛后的所述第一混合料，并添加30g中值粒径D50为1μm的微米碳粉，二次混合30min，过筛，得到第二混合料；

(3)将得到的第二混合料在1600℃温度下，于氮气气氛中进行焙烧10h；

(4)待所得焙烧产物降温后，将所得焙烧产物置于马弗炉中，在空气条件下680℃保温反应3h，经氧化除碳后得到高纯氮化铝粉体，经过测试得到粉体中氧含量为0.86％。

实施例8

本实施例所述高纯度氮化铝的制备方法，包括如下步骤：

(1)准确称取200g中值粒径D50为0.32μm的氧化铝粉体，以及85g中值粒径D50为30nm的纳米碳粉，并添加1140g直径为20mm的氧化铝球作为研磨球，置于混合装置中，球磨混合24h，过筛，得到第一混合料；

(2)取200g过筛后的所述第一混合料，并添加20g中值粒径D50为4μm的微米碳粉，二次混合30min，过筛，得到第二混合料；

(3)将得到的第二混合料在1550℃温度下，于氮气气氛中进行焙烧15h；

(4)待所得焙烧产物降温后，将所得焙烧产物置于马弗炉中，在空气条件下750℃保温反应2h，经氧化除碳后得到高纯氮化铝粉体，经过测试得到粉体中氧含量为0.91％。

对比例1

本对比例所述氮化铝的制备方法同实施例1，其区别仅在于，所述碳源全部采用相同粒径的微米碳粉，并一次性加入进行反应，制得氮化铝粉体。经氧化除碳后得到氮化铝粉体，经过测试得到粉体中氧含量为1.13％。

对比例2

本对比例所述氮化铝的制备方法同实施例1，其区别仅在于，所述碳源全部采用相同粒径的微米碳粉，并一次性加入进行反应，制得氮化铝粉体。经氧化除碳后得到氮化铝粉体，经过测试得到粉体中氧含量为1.18％。

实施例1-8及对比例1-2中各步骤实验条件对比见于表1，同时按照现有技术中方法测定上述实施例1-8及对比例1-2中制得氮化铝粉体的氧含量记录于下表2。

表1.不同实施例实验条件对比

表2.不同实施例所得氮化铝粉体氧含量对比

实施例	所得氮化铝粉体氧含量
		实施例1	0.85％
实施例2	0.92％
		实施例3	0.81％
实施例4	0.84％
		实施例5	0.82％
实施例6	0.83％
		实施例7	0.86％
实施例8	0.91％
		对比例1	1.13％
对比例2	1.18％

从上表2数据可知，本发明所述一种高纯氮化物粉体及其制备方法，通过以氧化铝为原料，并经过第一次与纳米级碳粉混合、第二次与微米级碳粉混合的分级混合方式，能够在反应物中形成更多的间隙，有效促进高温反应产物一氧化碳的排出和反应气体氮气与固相原料的交换，有助于提高原料的氮化率，从而得到低氧含量的高纯度的氮化铝粉体。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。