一种氮化铝粉体的制备方法

1.本发明涉及陶瓷粉体制备技术领域，尤其涉及一种氮化铝粉体的制备方法。


背景技术：

2.氮化铝陶瓷因其高导热性、高介电击穿强度、高电阻率、良好的电绝缘性、无毒性以及接近硅的热膨胀系数而被用作高性能电子器件的基板和封装材料。然而，该陶瓷材料的大规模应用受到生产加工成本的严重制约，其中原材料氮化铝粉末的高价格尤为明显。
3.目前氮化铝的合成方法主要有以下几种：铝粉直接氮化法，碳热还原法，自蔓延高温烧结法，溶胶-凝胶法，溶液燃烧合成法，络合物分解法，化学气相合成法，等离子化学合成法以及机械化学法等。上述各种合成方法都有各自的优缺点。因此，研究一种低成本制备高性能氮化铝粉体的方法具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种氮化铝粉体的制备方法，以解决现有技术中制备氮化铝粉体成本高的技术问题。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种氮化铝粉体的制备方法，包括以下步骤：
7.(1)将铝源、碳源、金属氯化物和水混合，得到混合溶液；
8.(2)将混合溶液加热后添加氨水，得到乳白色溶胶；
9.(3)将乳白色溶胶顺次进行冷冻干燥、煅烧处理、除碳处理，即可得到氮化铝粉体。
10.作为优选，所述步骤(1)中，铝源、碳源、金属氯化物和水的质量体积比为2～10g：5～10g：4～80g：20～60ml。
11.作为优选，所述铝源包含氯化铝、硫酸铝和硝酸铝中的一种或几种；所述碳源包含葡萄糖、蔗糖和淀粉中的一种或几种；所述金属氯化物包含nacl、kcl和mgcl2中的一种或几种。
12.作为优选，所述步骤(2)中，混合溶液加热后的温度为70～90℃。
13.作为优选，所述步骤(2)中，氨水的浓度为25～28％；
14.所述铝源和氨水的质量体积比为2～10g：20～40ml。
15.作为优选，所述步骤(3)中，冷冻干燥的温度为-45～-25℃，冷冻干燥的时间为12～48h。
16.作为优选，所述步骤(3)中，煅烧处理在流动气氛中进行，其中流动气氛为氨气气氛或氮气气氛；所述流动气氛的流速为1～4l/min。
17.作为优选，所述步骤(3)中，煅烧处理的温度为1400～1600℃，时间为0.5～6h。
18.作为优选，所述步骤(3)中，除碳处理在空气气氛中进行；所述除碳处理的温度为600～800℃，时间为0.5～4h。
19.本发明的有益效果：
20.(1)本发明采用溶胶凝胶法，将铝源与有机碳源混合在一定温度下凝胶化。在高温下，该凝胶中的铝源与有机碳源均发生化学分解，从而制备出分散性良好的铝源与碳源的混合物。该混合物可以在较低的温度下发生氮化反应生成氮化铝粉末，具有制备工艺简单，氮化铝产物转化率高等特点。
21.(2)本发明采用碳热还原法制备氮化铝粉体，制得的粉体具有较高的纯度和较好的球形度与粒度，其粒径范围为100～500nm，纯度达到99％以上。
22.(3)现有技术中采用碳热还原法需在1600℃以上的温度才能制得氮化铝粉体，而本发明将溶胶凝胶法和碳热还原法结合在一起，采用无机盐辅助的方式，在保持溶胶凝胶法与碳热还原法优点的同时，煅烧温度在1400～1600℃的范围内即可制得性能优异的氮化铝粉体，因此，本技术提供的技术方案降低了氮化铝粉体的制造成本。
附图说明
23.图1为实施例1所制得的氮化铝粉体的xrd图；
24.图2为实施例1所制得的氮化铝粉体的sem图。
具体实施方式
25.本发明提供了一种氮化铝粉体的制备方法，包括以下步骤：
26.(1)将铝源、碳源、金属氯化物和水混合，得到混合溶液；
27.(2)将混合溶液加热后添加氨水，得到乳白色溶胶；
28.(3)将乳白色溶胶顺次进行冷冻干燥、煅烧处理、除碳处理，即可得到氮化铝粉体。
29.在本发明中，所述步骤(1)中，铝源、碳源、金属氯化物和水的质量体积比为2～10g：5～10g：4～80g：20～60ml，优选为3～8g：6～9g：10～60g：30～50ml，进一步优选为4～6g：7～8g：20～50g：35～45ml。
30.在本发明中，所述铝源包含氯化铝、硫酸铝和硝酸铝中的一种或几种，优选为氯化铝和/或硫酸铝，进一步优选为氯化铝；所述碳源包含葡萄糖、蔗糖和淀粉中的一种或几种，优选为葡萄糖和/或蔗糖，进一步优选为葡萄糖；所述金属氯化物包含nacl、kcl和mgcl2中的一种或几种，优选为nacl和/或kcl，进一步优选为kcl。
31.在本发明中，所述步骤(2)中，混合溶液加热后的温度为70～90℃，优选为75～85℃，进一步优选为80℃。
32.在本发明中，所述步骤(2)中，氨水的浓度为25～28％，优选为26～27％，进一步优选为27％。本发明中所使用的氨水蒸发残渣≤0.002％。
33.在本发明中，所述铝源和氨水的质量体积比为2～10g：20～40ml，优选为3～8g：22～38ml，进一步优选为4～6g：25～35ml。
34.在本发明中，所述步骤(3)中，冷冻干燥的温度为-45～-25℃，优选为-40～-30℃，进一步优选为-35℃；冷冻干燥的时间为12～48h，优选为15～45h，进一步优选为20～40h。
35.在本发明中，所述步骤(3)中，煅烧处理在流动气氛中进行，其中流动气氛为氨气气氛或氮气气氛,优选为氮气气氛；所述流动气氛的流速为1～4l/min，优选为2～3l/min，进一步优选为2l/min。
36.在本发明中，所述步骤(3)中，煅烧处理的温度为1400～1600℃，优选为1450～
1550℃，进一步优选为1470～1530℃；时间为0.5～6h，优选为1～5h，进一步优选为2～4h。
37.在本发明中，所述步骤(3)中，除碳处理在空气气氛中进行；所述除碳处理的温度为600～800℃，优选为650～750℃，进一步优选为700℃；时间为0.5～4h，优选为1～3h，进一步优选为2h。
38.下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
39.实施例1
40.将9.54g六水氯化铝、10g葡萄糖溶解于50ml去离子水中，然后再加入19.54g的kcl，搅拌均匀得到混合溶液；将混合溶液通过水浴加热装置加热到80℃，之后在搅拌条件下使用碱式滴定管将30ml浓度为25％的氨水滴加到加热后的混合溶液中，得到乳白色溶胶；将乳白色溶胶在-35℃条件下冷冻干燥36h，获得干凝胶后在氮气气氛中进行煅烧处理，其中氮气气氛的流速为2l/min，煅烧处理的温度为1500℃，时间为2h，得到黑色粉体；最后将黑色粉体在空气气氛，在700℃条件下除碳处理3h，得到灰白色氮化铝粉体，粒径为200～400nm。
41.本发明对实施例1所制备的氮化铝粉体经过icp、碳硫元素分析、氮氧元素分析，纯度为99.12％。
42.实施例2
43.将4.77g六水氯化铝、5g葡萄糖溶解于30ml去离子水中，然后再加入4.885g的kcl和4.885g的nacl，搅拌均匀得到混合溶液；将混合溶液通过水浴加热装置加热到75℃，之后在搅拌条件下使用碱式滴定管将20ml浓度为28％的氨水滴加到加热后的混合溶液中，得到乳白色溶胶；将乳白色溶胶在-30℃条件下冷冻干燥40h，获得干凝胶后在氮气气氛中进行煅烧处理，其中氮气气氛的流速为3l/min，煅烧处理的温度为1550℃，时间为1h，得到黑色粉体；最后将黑色粉体在空气气氛，在800℃条件下除碳处理2h，得到灰白色氮化铝粉体，粒径为300～500nm，纯度为99.08％。
44.实施例3
45.将9.54g六水氯化铝、9.5g葡萄糖溶解于50ml去离子水中，然后再加入19.04g的nacl，搅拌均匀得到混合溶液；将混合溶液通过水浴加热装置加热到90℃，之后在搅拌条件下使用碱式滴定管将30ml浓度为26％的氨水滴加到加热后的混合溶液中，得到乳白色溶胶；将乳白色溶胶在-25℃条件下冷冻干燥48h，获得干凝胶后在氮气气氛中进行煅烧处理，其中氨气气氛的流速为4l/min，煅烧处理的温度为1450℃，时间为3h，得到黑色粉体；最后将黑色粉体在空气气氛，在850℃条件下除碳处理1h，得到灰白色氮化铝粉体，粒径为400～500nm，纯度为99.05％。
46.实施例4
47.将10g硫酸铝、10g淀粉溶解于60ml去离子水中，然后再加入19.04g的mgcl2，搅拌均匀得到混合溶液；将混合溶液通过水浴加热装置加热到70℃，之后在搅拌条件下使用碱式滴定管将40ml浓度为25％的氨水滴加到加热后的混合溶液中，得到乳白色溶胶；将乳白色溶胶在-45℃条件下冷冻干燥15h，获得干凝胶后在氮气气氛中进行煅烧处理，其中氨气气氛的流速为1l/min，煅烧处理的温度为1400℃，时间为6h，得到黑色粉体；最后将黑色粉体在空气气氛，在600℃条件下除碳处理4h，得到灰白色氮化铝粉体，粒径为250～450nm，纯
度为99.06％。
48.图1为实施例1所制得的氮化铝粉体的xrd图，从图1可以看出制得的氮化铝粉体的xrd测试结果与氮化铝的标准卡片基本一致。
49.图2为实施例1所制得的氮化铝粉体的sem图，从图2可以看出制得的氮化铝粉体形貌规则且粒径均匀。
50.由以上实施例可知，本发明提供了一种氮化铝粉体的制备方法，首先将铝源、碳源、金属氯化物和水混合，得到混合溶液；再将混合溶液加热后添加氨水，得到乳白色溶胶；最后将乳白色溶胶顺次进行冷冻干燥、煅烧处理、除碳处理，即可得到氮化铝粉体。本发明将溶胶凝胶法和碳热还原法结合在一起，采用无机盐辅助的方式，降低了反应温度，以较低的成本即可制得的氮化铝粉体，并且所制备的氮化铝粉体具有较高的纯度和较好的球形度与粒度，其粒径范围为100～500nm。
51.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种氮化铝粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将铝源、碳源、金属氯化物和水混合，得到混合溶液；(2)将混合溶液加热后添加氨水，得到乳白色溶胶；(3)将乳白色溶胶顺次进行冷冻干燥、煅烧处理、除碳处理，即可得到氮化铝粉体。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，铝源、碳源、金属氯化物和水的质量体积比为2～10g：5～10g：4～80g：20～60ml。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述铝源包含氯化铝、硫酸铝和硝酸铝中的一种或几种；所述碳源包含葡萄糖、蔗糖和淀粉中的一种或几种；所述金属氯化物包含nacl、kcl和mgcl2中的一种或几种。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，混合溶液加热后的温度为70～90℃。5.根据权利要求2或4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，氨水的浓度为25～28％；所述铝源和氨水的质量体积比为2～10g：20～40ml。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，冷冻干燥的温度为-45～-25℃，冷冻干燥的时间为12～48h。7.根据权利要求1或4或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，煅烧处理在流动气氛中进行，其中流动气氛为氨气气氛或氮气气氛；所述流动气氛的流速为1～4l/min。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，煅烧处理的温度为1400～1600℃，时间为0.5～6h。9.根据权利要求6或8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，除碳处理在空气气氛中进行；所述除碳处理的温度为600～800℃，时间为0.5～4h。

技术总结
本发明提供了一种氮化铝粉体的制备方法，属于陶瓷粉体制备技术领域。本发明首先将铝源、碳源、金属氯化物和水混合，得到混合溶液；再将混合溶液加热后添加氨水，得到乳白色溶胶；最后将乳白色溶胶顺次进行冷冻干燥、煅烧处理、除碳处理，即可得到氮化铝粉体。本发明将溶胶凝胶法和碳热还原法结合在一起，采用无机盐辅助的方式，降低了反应温度，以较低的成本即可制得的氮化铝粉体，并且所制备的氮化铝粉体具有较高的纯度和较好的球形度与粒度，其粒径范围为100～500nm。径范围为100～500nm。径范围为100～500nm。


技术研发人员：王海龙 原楠楠 宋博 陈勇强 范冰冰 张凯 邵刚 卢红霞 许红亮
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/7/12