Способ получения нитрида алюминия
Владельцы патента RU 2428376:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Изобретение относится к области порошковых технологий, в частности к получению порошка нитрида алюминия в нанодисперсном состоянии, который может быть использован в электронной промышленности для изготовления керамики. Способ включает приготовление порошка алюминия, его помещение в проточный реактор с газообразным азотом, нагрев и последующее извлечение целевого продукта, причем в качестве азотируемого порошка используют нанопорошок алюминия, а процесс азотирования проводят в одну стадию при 530-620°С. Технический результат изобретения заключается в снижении энергозатрат и упрощении процесса за счет применения нанопорошка алюминия и проведения азотирования при относительно низких температурах. 1 табл.
Изобретение относится к области порошковых технологий, в частности к получению порошка нитрида алюминия в нанодисперсном состоянии, который может быть использован в электронной промышленности для изготовления керамики.
Известен способ получения нитрида алюминия [Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Закоржевский В.В. и др. Способ получения нитрида алюминия. Патент РФ №2091300, С01В 21/072, опубл. 27.09.1997 г.], включающий приготовление смеси порошков алюминия и нитрида алюминия, помещение полученной смеси в замкнутый реактор, локальное воспламенение смеси и синтез в режиме горения под давлением азота с последующим извлечением целевого продукта. В смесь дополнительно вводят 5-15% мас. добавки, выбранной из ряда: хлорид алюминия, мочевина или смесь одной из них с хлоридом или фторидом аммония, а синтез в режиме горения ведут при давлении азота 2-6 МПа. Порошок нитрида алюминия содержит высокопористые частицы игольчатой формы с площадью удельной поверхности 1,5-3,0 м2/г.
Недостатками данного способа являются высокие энергозатраты, связанные с созданием и поддержанием высокого давления азота в системе, а также с необходимостью использования дорогостоящего оборудования - реактора высокого давления (до 1000 атм). Кроме того, исходная смесь имеет сложный состав и включает гигроскопичные вещества, которые могут взаимодействовать с алюминием и нитридом алюминия. В состав смеси также входят летучие вещества (хлориды и фториды аммония), которые при нагревании дают токсичные и химически агрессивные пары, представляющие экологическую опасность.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения нитрида алюминия [Самсонов Г.В., Дубовик Т.В. Технология получения нитрида алюминия и возможности его промышленного использования // Цветные металлы. 1962. №3. С.56-61], включающий помещение алюминиевой пудры в проточный реактор, через который проходит ток газообразного азота, и двустадийное азотирование пудры: на первой стадии алюминиевую пудру выдерживают при 800°С в течение 1 часа, нагрев до требуемой температуры проводят со скоростью 10 град./мин, полученный промежуточный продукт растирают и просеивают; на второй стадии промежуточный продукт повторно азотируют при 1200°С в продолжение 0,5-1 ч со скоростью подъема температуры до 1200°С, равной 40 град./мин.
Недостатком этого способа является его энергозатратность, связанная с высокой температурой нагрева: на первой стадии - до 800°С в течение 1 ч, на второй стадии - до 1200°С в течение 0,5-1 ч. Кроме того, после первой стадии продукт охлаждают и подвергают механическому размолу и просеиванию, что повышает энергозатраты данного способа и продолжительность процесса азотирования. В процессе азотирования также происходит спекание частиц алюминия и нитрида алюминия, поэтому полученный продукт представляет собой спеки, которые согласно прототипу измельчают перед повторным азотированием.
Основной технической задачей изобретения является снижение энергозатрат и упрощение способа получения нитрида алюминия (A1N) за счет применения нанопорошка алюминия и проведения процесса азотирования при относительно низких температурах. Решение основной технической задачи достигается тем, что в заявляемом способе получения нитрида алюминия, согласно которому так же как и в прототипе приготавливают порошок алюминия, помещают его в проточный реактор с газообразным азотом с последующим извлечением целевого продукта в соответствии с предложенным решением, в качестве азотируемого порошка используют нанопорошок алюминия, процесс азотирования проводят при температурах 530-620°С.
В результате азотирования порошка алюминия по упрощенной технологии, заключающейся в использовании нанопорошка алюминия, при пониженной температуре и атмосферном давлении образуется нитрид алюминия в нанодисперсном состоянии (размер частиц - 80-120 нм), поэтому в заявляемом способе нет необходимости в измельчении полученного нитрида алюминия, который пригоден непосредственно после азотирования для получения более плотной нитридной керамики при относительно низких давлениях прессования.
Пример
Для проведения экспериментов был взят нанопорошок алюминия, полученный при помощи электрического взрыва проводника в среде газообразного аргона на установке УДП-4Г производства НИИ высоких напряжений Томского политехнического университета. Среднеповерхностный диаметр частиц - 120 нм, распределение частиц по диаметру - нормально-логарифмическое в интервале 80-500 нм, насыпная плотность - 0,22 г/см3, содержание металлического алюминия - 94% (мас.), содержание адсорбированных газов и воды - до 6% (мас.).
Нанопорошок алюминия (4 г) насыпали на никелевую подложку тонким слоем (1-1,5 мм) и помещали в проточный реактор, пропускали через него азот особой чистоты с объемной скоростью 100 мл/мин. После вытеснения из реактора воздуха включали нагреватель и со скоростью 10 град/мин температуру реактора доводили до температур в интервале 470-650°С и проводили азотирование в течение 1 ч. После азотирования образцы подвергали рентгенофазовому анализу и определению связанного азота по методу Кьельдаля. Результаты анализа приведены в таблице.
Согласно полученным результатам при увеличении температуры до 530°С наблюдается резкое возрастание содержания AlN в продукте азотирования нанопорошка алюминия. Дальнейшее увеличение температуры до 620°С не приводит к увеличению выхода AlN, и при температуре 650°С наблюдается уменьшение площади удельной поверхности продукта за счет диффузионного спекания наночастиц. Ниже 530°С содержание нитрида алюминия в продукте азотирования резко снижается (табл.). Следовательно, для получения AlN в нанодисперсном состоянии оптимальным является температурный диапазон 530-620°С.
Таким образом, при осуществлении заявляемого способа достигается существенное упрощение технологии: синтез нитрида алюминия осуществляется в одну стадию при низкой температуре за короткое время, что обеспечивает по сравнению с прототипом снижение энергозатрат и способствует получению нитрида алюминия в нанодисперсном состоянии.
| Таблица | |||
| Зависимость содержания связанного азота и площади удельной поверхности продукта азотирования нанопорошка алюминия от температуры нагрева | |||
| № | Температура, °С | Характеристики продукта азотирования | |
| Содержание связанного азота, % (мас.) | Площадь удельной поверхности, м2/г | ||
| 1. | 470 | 9,4 | 17,7 |
| 2. | 500 | 16,7 | 19,6 |
| 3. | 530 | 33,2 | 22,9 |
| 4. | 560 | 33,5 | 23,6 |
| 5. | 590 | 33,6 | 23,5 |
| 6. | 620 | 33,8 | 23,1 |
| 7. | 650 | 33,8 | 18,3 |
Способ получения нитрида алюминия, включающий приготовление порошка алюминия, его помещение в проточный реактор с газообразным азотом, нагрев и последующее извлечение целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве азотируемого порошка используют нанопорошок алюминия, процесс азотирования проводят в одну стадию при 530-620°С.
