[发明专利]一种利用高气压和氟化物添加剂辅助制备球形氮化铝粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳热还原直接制备球形氮化铝粉体的方法，特别涉及一种利用高的氮气压力和氟化物添加剂辅助制备球形氮化铝粉体的工艺技术，属于非氧化物陶瓷粉体材料的制备技术领域。

背景技术

氮化铝是一种具有六方纤锌矿结构的共价化合物，它具有理论热导率高、介电常数低、绝缘性好、机械强度高、膨胀系数与硅芯片相匹配等一系列优良特性，在电子封装材料领域有着广泛的应用，可用于制备高热导陶瓷基板及作为无机填料加入高分子中以提高复合材料的导热性能。

目前制备氮化铝粉体的方法主要有以下几种：铝粉直接氮化法、碳热还原法、自蔓延高温合成法、化学气相沉淀法等。这些制备方法虽然工艺成熟，产品纯度高，但制得的氮化铝粉末形貌复杂，通常呈破碎状或角状，并且粒度一般都在1μm以下，这在作为无机填料使用时，由于流动性差而很难达到较高的填充密度，从而影响复合材料的导热性。

因此，为使热性能优异的氮化铝在高导热无机填料方面发挥更大的应用价值，如何获得球形态且平均粒径大于1μm的氮化铝粉体成为近年关注的热点。

中国专利CN101525238公开了一种低氧含量球形氮化铝粉体的制备方法。该方法将氮化铝粉体与适量的球化除氧辅料经球磨混合后，于氮气或氩气中加热到1550～1900℃，保温0～20小时，将得到的产物破碎后加热至600℃排碳，再经酸洗、水洗、干燥后得球形氮化铝粉体。该产品球形度较高，但以氮化铝粉为原料，生产成本较高，并且产品受原料表面形貌的影响较大，粒径也受初始原料限制，工艺复杂，反应不易控制，难以实现工业化生产。

Chowdhury S.A.等(Journal of Materials Science，Volume15，Issue41，1August2006，Page4699-4705)将碳黑颗粒制得稳定的碳溶胶，向其中添加硝酸铝溶液，升温至400℃使硝酸铝分解，制得CAl₂O₃的复合颗粒，然后经700℃脱碳和1400℃氮化后得球形氮化铝，该方法生产成本较低，但产物中容易引入杂质，且球形度较低。

中国专利CN103079996公开了下述制备球形氮化铝的方法：将氧化铝、稀土金属或碱土金属化合物及碳粉混合后在1620～1900℃下进行还原氮化，以得到球形氮化铝颗粒。该方法可得到球形度在0.75以上、粒径大于3μm的氮化铝颗粒，但反应在常压下进行，为了获得较大的粒径，多需要10～20小时长时间的反应，生产周期较长，并且常压下易形成丝状产物或出现氮化铝颗粒大小不均匀等现象，反应不易控制。

可见，要实现适用于高导热填料方面的球形氮化铝粉体，还需要在现有方法基础上进行改进。

发明内容

本发明的目的在于针对目前氮化铝粉体作为导热填料时存在的问题，提供一种工艺简单，成本较低的球形氮化铝粉体的制备方法。本发明克服已有技术的缺点，制得的氮化铝粉体粒径在3～10μm，球形度在80％以上，非常适合作为导热填料使用。

本发明提出的一种利用高气压和氟化物添加剂辅助制备球形氮化铝粉体的方法，包含以下步骤：

(1)将氧化铝、碳源和氟化物添加剂通过球磨工艺进行处理，使其充分混合均匀，以提高各物质接触面积和反应活性，具体工艺为：将氧化铝与一定比例的添加剂加入去离子水中，配制成固含量30～70％的浆料，将碳源加入去离子水中，配制成固含量为15～35％的浆料，各自球磨2～24h后，进行混合，继续球磨2～24h后干燥并研磨。

(2)将(1)中得到的混合物置于石墨坩埚中，并转移到气压烧结炉中进行碳热还原反应，使其同时实现氮化和球化。

(3)将(2)中得到的产物置于马弗炉中，升温到600～750℃，保温1～5h，以除去多余的碳，最终得到的灰白色产物即为氮化铝粉体。

本发明所述的氧化铝为高活性氧化铝，平均粒径为0.1～2μm；所述的碳源为炭黑、石墨、活性炭中的一种或几种，平均粒径为0.01～1μm，碳源与氧化铝的重量比为0.40～0.50；所述的氟化物添加剂为碱金属或稀土金属的氟化物中的一种或几种，添加剂与氧化铝的重量比为0.01～0.1。所述的反应温度为1650～1900℃，氮气压力为0.2～2MPa，反应时间为1～6h。