СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ
METHOD OF PRODUCING ALUMINIUM NITRIDE

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.
2
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 м/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
3
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/см, 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, м<sup>2</sup>/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