一种铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法
阅读说明：本技术 一种铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法 (Method for preparing aluminum nitride by directly nitriding aluminum alkoxide ) 是由 范光磊 卢胜波 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法,属于氮化铝制备技术领域,其包括S1,将铝醇盐放入窑炉中,在氮气气氛下将窑炉内温度升至200～500℃保温1～4h；S2,在氮气气氛下将窑炉内温度升至1100～1600℃,保温2～4h,制得含氮化铝的反应产物。本发明提供的铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法,利用铝醇盐在无氧高温条件下可热分解碳化的特点,在不引入其他碳源的情况下即可满足碳热反应的碳量,减少了污染因素的引入量,提高了氮化铝的纯度；铝醇盐自身热分解碳化过程能够使碳和铝直接充分接触,提高了反应面积；铝醇盐热分解碳化的过程中形成大量的孔洞和孔隙,有利于氮气的进入,使反应更加彻底。(The invention discloses a method for preparing aluminum nitride by directly nitriding aluminum alkoxide, which belongs to the technical field of aluminum nitride preparation and comprises the following steps of S1, putting the aluminum alkoxide into a kiln, heating the temperature in the kiln to 200-500 ℃ in a nitrogen atmosphere, and keeping the temperature for 1-4 h; s2, raising the temperature in the kiln to 1100-1600 ℃ in the nitrogen atmosphere, and preserving the heat for 2-4 h to obtain the reaction product containing the aluminum nitride. The method for preparing the aluminum nitride by directly nitriding the aluminum alkoxide provided by the invention utilizes the characteristic that the aluminum alkoxide can be thermally decomposed and carbonized under the oxygen-free high-temperature condition, can meet the carbon amount of carbothermic reaction under the condition of not introducing other carbon sources, reduces the introduction amount of pollution factors and improves the purity of the aluminum nitride; the self thermal decomposition and carbonization process of the aluminum alkoxide can ensure that carbon and aluminum are directly and fully contacted, thereby improving the reaction area; a large number of holes and pores are formed in the thermal decomposition and carbonization process of the aluminum alkoxide, which is beneficial to the entering of nitrogen and leads the reaction to be more thorough.)
技术领域
本发明涉及一种铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法，属于氮化铝制备技术领域。
背景技术
氮化铝是一种六方纤锌矿结构的共价键化合物，具有高热导率、与硅相匹配的热膨胀系数、优良的机械性能、无毒等综合优势，成为大功率电子器件理想的基板材料和封装材料，在电力电子器件、光电子器件、微波功率器件等领域有着广泛的应用前景。氮化铝陶瓷的性能与氮化铝粉体性质密切相关，例如，当氮化铝粉体中的杂质含量偏高时会使氮化铝粉体的烧结性能差，很难获得致密的氮化铝陶瓷；而且氮化铝属于共价化合物，自扩散系数低，如果粒度、形貌不均也将导致难以烧结致密。因此，要制备高性能的氮化铝陶瓷，首先需要制备出高纯度、窄粒度分布、性能稳定的氮化铝粉体。
目前,高性能氮化铝粉体的合成方法主要有两种，分别是铝直接氮化法和碳热还原法。相比较而言，碳热还原法制备的氮化铝粉体纯度高、性能稳定、粉末粒度细小均匀、成形和烧结性能良好，因此碳热还原法已成为高质量的氮化铝粉体的主要生产方法。但该方法还存在着原材料混合不均匀、固-气反应不完全、氮化反应温度高、反应耗时长、装载量低等问题，从而导致合成产物氮化铝粉纯度不高。公开号为CN109264680A的专利申请提供的高纯超细氮化铝粉末的方法中，虽然通过在异丙醇铝水解过程中引入纳米无定形碳的方法改善了传统碳热还原法中氧化铝和无定形碳难以混合均匀的问题，但反应步骤复杂，得到的氮化铝的形貌、粒径分布和纯度依然有提升空间。
需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术所存在的问题，提供了一种铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法，其利用铝醇盐在无氧高温条件下可热分解碳化的特点使碳和铝直接充分接触反应，在不引入其他碳源的情况下进一步提高了氮化铝的纯度。
本发明通过采取以下技术方案实现上述目的：
一种铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法，包括如下步骤：
S1，将铝醇盐放入窑炉中，在氮气气氛下将窑炉内温度升至200～500℃保温1～4h；
S2，在氮气气氛下将窑炉内温度升至1100～1600℃，保温2～4h，制得含氮化铝的反应产物。
可选的，所述铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法还包括步骤：
S3，窑炉内温度自然冷却至600～800℃时，将氮气更换为压缩空气，保温1-4h，脱除反应产物中的碳，制得氮化铝粉。
可选的，步骤S01中铝醇盐选自异丙醇铝、正丁醇铝、正戊醇铝、己醇铝或叔丁醇铝。
可选的，步骤S1中窑炉内氮气流量为2～5L/min；窑炉内升温速率为3～5℃/min；
步骤S2中窑炉内氮气流量为2～5L/min；窑炉内升温速率为3～5℃/min。
可选的，步骤S3中窑炉内压缩空气流量为2～5L/min，压力为0.4～0.6mpa。
可选的，步骤S1中铝醇盐的制备方法为：
S01，将铝和醇、催化剂混合，加热至120～210℃，反应完全，制得产物溶液；
S02，从产物溶液中提纯得到高纯铝醇盐；
S03，将高纯铝醇盐常温冷却，得到固态板状的铝醇盐。
可选的，步骤S01中所用铝的纯度大于99.99％，铝采用直径不大于2.5mm的铝颗粒、铝丝或铝屑；醇选自异丙醇、正丁醇、正戊醇、己醇或叔丁醇。
可选的，催化剂采用氯化铝或氯化汞，催化剂的加入量为铝、醇和催化剂总重量的0.04～0.07wt％。
可选的，步骤S02中，高纯铝醇盐的提纯方法为减压蒸馏提纯。
可选的，步骤S03中，固态板状的铝醇盐厚度为2-10cm。
本发明的有益效果包括但不限于：
本发明提供的铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法，利用铝醇盐在无氧高温条件下可热分解碳化的特点，在不引入其他碳源的情况下即可满足碳热反应的碳量；反应过程因不另外引入其它碳源所以减少了污染因素的引入量，提高了氮化铝的纯度；铝醇盐自身热分解碳化过程能够使碳和铝直接充分接触，提高了反应面积，抑制了颗粒团聚和长大，提高了氮化铝的粒径均匀性；铝醇盐热分解碳化的过程中形成大量的孔洞和孔隙，有利于氮气的进入，使反应更加彻底。
本发明提供的铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法所制备的高纯超细氮化铝粉的粒径为0.8-1.2μm，纯度>99.9％，杂质含量Fe<2ppm，Si<2ppm，Na<2ppm，氧含量＜0.8％。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1制备的氮化铝粉的SEM图像；
图2为对比例1制备的氮化铝粉的SEM图像，氮化铝颗粒粒径大而且不均匀。
具体实施方式
在以下内容中将会对本发明进行进一步的详细描述。但是需要指出的是，以下的具体实施方式仅仅以示例性的方式给出本发明的具体操作实例，但是本发明的保护范围不仅限于此。本发明的保护范围仅仅由权利要求书所限定。本领域技术人员能够显而易见地想到，可以在本发明权利要求书限定的保护范围之内对本发明所述的实施方式进行各种其它的改良和替换，并且仍然能够实现相同的技术效果，达到本发明的最终技术目的。
在本发明中，所有的比例均为重量比，所有的百分数均为重量百分数，温度的单位为℃，压力的单位为帕。室温指室内常规的环境温度，随季节和位置变化，通常为25℃。另外，本发明描述的所有数值范围均包括端值并且可以包括将公开的范围的上限和下限互相任意组合得到的新的数值范围。
如无特殊说明，本说明书中各原料通过商业途径购得。
实施例1：
本实施例提供的铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法，包括如下步骤：
S01，将高纯铝锭用去离子水清洗表面，然后经铣床加工，制成直径2mm左右的铝颗粒；
向27kg铝颗粒中加入200kg异丙醇、95g氯化铝混合均匀，加热至120℃反应完全后制得产物溶液，反应过程中不断搅拌；
S02，将产物溶液加热到190℃，在12mm汞柱真空度下减压蒸馏4h，制得高纯异丙醇铝；
S03，将高纯异丙醇铝倒入模具中常温冷却至2cm厚度的固态板状；
S1，将固态板状的高纯异丙醇铝装入氮化铝匣钵中置于炉窑内，维持炉窑内氮气流速为2L/min，将炉窑内温度以3℃/min的升温速率升至500℃，保温3h；
S2，维持炉窑内氮气流速为3.5L/min，将炉窑内温度以3℃/min的升温速率升至1400℃，保温4h，制得含氮化铝的反应产物；
S3，将窑炉内温度自然冷却至700℃时，将氮气更换为0.6mpa的压缩空气，维持压缩空气的流速为3L/min，保温3h，脱除反应产物中的碳，制得氮化铝粉。
图1为本发明实施例1制备的氮化铝粉的SEM图像，氮化铝粒径小而且大小均匀。
实施例2：
本实施例提供的铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法，包括如下步骤：
S01，将高纯铝锭用去离子水清洗表面，然后经铣床加工，制成直径2mm左右的铝丝；
向27kg铝颗粒中加入292kg正丁醇、146g氯化铝混合均匀，加热至210℃反应完全后制得产物溶液，反应过程中不断搅拌；
S02，将产物溶液加热到150℃，在12mm汞柱真空度下减压蒸馏4h，制得高纯异丙醇铝；
S03，将高纯异丙醇铝倒入模具中常温冷却至3cm厚度的固态板状；
S1，将固态板状的高纯异丙醇铝装入氮化铝匣钵中置于炉窑内，维持炉窑内氮气流速为3L/min，将炉窑内温度以3℃/min的升温速率升至500℃，保温3h；
S2，维持炉窑内氮气流速为4L/min，将炉窑内温度以5℃/min的升温速率升至1100℃，保温3h，制得含氮化铝的反应产物；
S3，将窑炉内温度自然冷却至600℃时，将氮气更换为0.4mpa的压缩空气，维持压缩空气的流速为2L/min，保温4h，脱除反应产物中的碳，制得氮化铝粉。
实施例3：
本实施例提供的铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法，包括如下步骤：
S01，将高纯铝锭用去离子水清洗表面，然后经铣床加工，制成直径2mm左右的铝屑；
向27kg铝颗粒中加入260kg正戊醇、175kg氯化汞混合均匀，加热至180℃反应完全后制得产物溶液，反应过程中不断搅拌；
S02，将产物溶液加热到210℃，在12mm汞柱真空度下减压蒸馏4h，制得高纯异丙醇铝；
S03，将高纯异丙醇铝倒入模具中常温冷却至5cm厚度的固态板状；
S1，将固态板状的高纯异丙醇铝装入氮化铝匣钵中置于炉窑内，维持炉窑内氮气流速为3L/min，将炉窑内温度以4℃/min的升温速率升至500℃，保温4h；
S2，维持炉窑内氮气流速为4.5L/min，将炉窑内温度以4℃/min的升温速率升至1600℃，保温4h，制得含氮化铝的反应产物；
S3，将窑炉内温度自然冷却至800℃时，将氮气更换为0.8mpa的压缩空气，维持压缩空气的流速为5L/min，保温3h，脱除反应产物中的碳，制得氮化铝粉。
经检测，本发明方法制备的氮化铝粉中杂质含量极低，其中Fe<2ppm，Si<2ppm，Na<2ppm，氧含量＜0.8％；氮化铝平均粒径为0.8-1.2μm，D10＝0.7-0.8μm；D50＝1.0-1.2μm；D90＝1.5-1.8μm，粒径分布窄，颗粒大小均匀。
对比例1：
本对比例提供的铝醇盐直接氮化制备氮化铝的方法，包括如下步骤：
将高纯铝锭用去离子水清洗表面，然后经铣床加工，制成直径2mm左右的铝颗粒；
向27kg铝颗粒中加入200kg异丙醇、95g氯化铝混合均匀，加热至120～210℃反应完全后制得产物溶液，反应过程中不断搅拌；
将产物溶液经减压蒸馏提纯得到高纯异丙醇铝；
向高纯异丙醇铝中加入纯水混合均匀，在80℃进行水解反应得到含高纯氢氧化铝的浆料；
向含高纯氢氧化铝的浆料中混入21.5kg炭黑，搅拌均匀并干燥，然后装入氮化铝匣钵放入炉窑中；
维持炉窑内氮气流速为2L/min，将炉窑内温度升至500℃保温3h；维持炉窑内氮气流速为3.5L/min，将炉窑内温度升至1400℃保温4h；窑炉内温度自然冷却至700℃时，将氮气更换为0.6mpa的压缩空气，压缩空气流量为2L/min，保温3h，制得氮化铝粉。
图2为对比例1制备的氮化铝粉的SEM图像，氮化铝颗粒粒径大而且不均匀。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。