【原创】氮化铝晶须,一种接近理论热导率的新材料?


来源:中国粉体网   山川

[导读]  由于晶须很低的杂质含量和很少的晶格缺陷,使其有可能达到或接近理论热导率以及接近其完整晶体材料理论值的强度和模量。

中国粉体网讯  氮化铝(AlN)具有较高的热导率、较低的介电常数、可靠的电绝缘性、良好的力学性能以及与硅相匹配的热膨胀系数等一系列优良的物理化学性能,是目前最为理想的高性能陶瓷基板和封装材料,已经成为新材料领域的一大热点。


氮化铝晶须,其性能可接近理论值


AlN陶瓷晶格中固溶的杂质原子,尤其是氧原子,对AlN的热导率具有极大影响,致使AlN多晶陶瓷的热导率远未达到理论热导率。晶须是一种引人注目的新兴材料,晶须是指具有一定长径比(一般大于10)和截面积小于50X10-5cm2的单晶状纤维材料。



(图片来源:上海超威纳米科技有限公司)


自从Kohn发现AlN晶须以来,人们开始关注这种晶体结构较为理想的单晶体。由于晶须很低的杂质含量和很少的晶格缺陷,使其有可能达到或接近理论热导率以及接近其完整晶体材料理论值的强度和模量。以增强剂的形式与玻璃、陶瓷、聚合物等形成复合材料,不仅可以提高基体材料的强度和韧性,而且提高介电性能等。


合成方法



1、直接氮化法


直接氮化法是制备AlN晶须的一种常用方法。该方法以Al粉为原料,通过Al粉与氮气直接反应合成AlN晶须。在晶须制备的过程中,由于铝粉氮化反应剧烈放热,易导致铝粉结块,造成铝粉氮化不完全。尝试在直接氮化法制备氮化铝晶须时加入分散剂,如AlN粉体及NH4Cl等,以避免铝粉结块。


直接氮化法制备AlN晶须具有成本低和工艺简单的优点,适合大规模制备AlN晶须。然而,在氮化过程中铝粉熔化结块,导致原料的氮化率低,产物的纯度低。通过向原料中加入分散剂可以在一定程度上提高铝粉的转化率。但该方法也存在以下不足:1)增加了原料成本;2)向反应体系中引入了杂质。因此,尚需进一步寻找更好的分散剂并优化生产工艺来提高直接氮化法制备AlN晶须的质量。


2、还原氮化法


还原氮化法是一种常见的AlN制备方法。该方法通过Al2O3与还原剂(碳、氢气或氨气等)发生还原反应,还原产物再与氮源(氮气或氨气等)发生氮化反应生成氮化铝。


碳热还原氮化法制备AlN晶须的工艺较为成熟,合成晶须的形貌较好,是目前商业生产AlN晶须应用较多的一种方法。但利用该方法制备AlN晶须需要较高的反应温度,通常为1500~1800℃。为了降低反应温度,研究人员通常加入一些特殊的盐类或金属等可以与体系内的其他成分形成低熔点物相为催化剂,通过VLS生长机制推动反应在较低温度下进行。但催化剂的加入会向体系中引入杂质,影响AlN晶须的纯度。以氢气为还原剂可以在相对较低的温度下合成AlN晶须,但氢气的价格相对较高,氢热还原过程较为危险,其工艺条件尚需进一步的优化。


3、燃烧合成法



燃烧合成法的原理和直接氮化法基本相同,均是利用金属铝为原料直接和氮气反应。与直接氮化法相比,燃烧合成法具有反应速度快及能耗低的特点,但燃烧合成法反应进行地更为剧烈。目前,研究人员对这种方法的反应过程研究不足,尚难以对反应过程进行有效地控制。另外,该方法所制备的AlN晶须的形貌不均一。


结语


当前,AlN晶须的研究依然面临着以下几个问题;1)低成本大规模地合成高纯AlN晶须难以实现;2)关于AlN晶须应用的研究相对较少,大多停留在实验室制备阶段,AlN材料易水化是造成这个问题的原因之一;3)虽然大部分AlN晶须的合成机制被归结为VLS或VS生长机制,但对其具体过程的研究依然不足,不能指导AlN晶须的高效可控制备。


参考来源:

[1]王森等.氮化铝晶须制备研究进展

[2]贾婧等.氮化铝晶须的制备工艺研究

[3]贾婧.氮化铝晶须的制备技术研究


(中国粉体网编辑整理/山川)

注:图片非商业用途,存在侵权告知删除


推荐2

作者:山川

总阅读量:2012489

相关新闻:
网友评论:
0条评论/0人参与 网友评论

版权与免责声明:

① 凡本网注明"来源:中国粉体网"的所有作品,版权均属于中国粉体网,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用。已获本网授权的作品,应在授权范围内使用,并注明"来源:中国粉体网"。违者本网将追究相关法律责任。

② 本网凡注明"来源:xxx(非本网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责,且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。如其他媒体、网站或个人从本网下载使用,必须保留本网注明的"稿件来源",并自负版权等法律责任。

③ 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起两周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

粉体大数据研究
  • 即时排行
  • 周排行
  • 月度排行
图片新闻