專利名稱：用自蔓延合成超細(xì)氮化鋁及氮化鋁基復(fù)相陶瓷粉末的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一類通過自蔓延高溫合成(self-propagating high-temperaturesynthesis，SHS)方法制備的超細(xì)AlN陶瓷粉體和AlN基復(fù)相陶瓷粉末。
背景技術(shù)：
自1967年前蘇聯(lián)學(xué)者A.G.Merzhanov和I.P.Borovinskaya發(fā)現(xiàn)SHS現(xiàn)象以來，SHS一直是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。其基本的特點是利用外部提供必要的能量，誘發(fā)高放熱化學(xué)反應(yīng)體系局部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(這個過程稱為點燃)，形成化學(xué)反應(yīng)前沿(即燃燒波)，此后化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下，繼續(xù)前行，表現(xiàn)為燃燒波蔓延整個反應(yīng)體系，最后合成材料。SHS合成工藝最突出的優(yōu)點是節(jié)約能源、工藝簡單、合成物純度高等。所以迄今采用SHS工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到500種以上。但是這些產(chǎn)品主要靠固-固反應(yīng)，而氣-固體系的燃燒合成，反應(yīng)在高壓條件下由氣相和固相反應(yīng)進(jìn)行，孔隙內(nèi)的氣體不足會影響反應(yīng)進(jìn)行完全，而且固相的融化會阻礙氣體的滲入。其反應(yīng)機制更為復(fù)雜，工藝難于控制。
氮化鋁具有密度低、導(dǎo)熱率高、介電常數(shù)低、電阻率高，與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)、抗熱震性優(yōu)良等性能，不僅被作為超大規(guī)模集成電路首選的基板和封裝材料，并且隨著其性能的不斷提高，作為結(jié)構(gòu)陶瓷也有著良好的應(yīng)用前景。但是傳統(tǒng)的制備AlN的方法需要在高溫加熱條件下進(jìn)行，周期長、耗能高、粉末成本高、嚴(yán)重限制了AlN的推廣應(yīng)用。SHS合成氮化鋁由于其耗能少，反應(yīng)迅速、產(chǎn)品純度高、成本低廉，是很有前途的低價制備技術(shù)。但是，由于一些基本的理論和技術(shù)問題還沒有得到很好解決，目前燃燒合成AlN的工藝尚未得到大規(guī)模的應(yīng)用?，F(xiàn)我國、俄、美、日、韓等國正下大力研究解決AlN的SHS合成問題。
涉及燃燒合成超細(xì)AlN陶瓷粉體和AlN基復(fù)相陶瓷粉末的國際專利有YamadaOsamu申請的日本專利“通過燃燒合成制備BN、AlN和Si3N4”(JP2000264608)。但是此專利合成試樣重量很小，用激光點燃，成本很高。臺灣Yu Wen-Liang等申請的美國專利“氮化鋁的制備方法”(US5846508)。此專利采用鹵化銨作為氮源，合成試樣重量很小，不能實現(xiàn)大尺寸乃至規(guī)?；a(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過控制反應(yīng)溫度和壓力，并加入適當(dāng)稀釋劑，用SHS工藝合成完全的大尺寸AlN坯(φ120mm)，制備了超細(xì)AlN陶瓷粉體和AlN基復(fù)相陶瓷粉末。
對于AlN(氮化鋁)粉體的制備原始反應(yīng)物的成分配比為50-90wt％的Al粉和10-50wt％的AlN粉，wt％為重量百分比；素坯的密度為35-60％，氮氣壓力1-30MPa。
對于AlN/ZrN/Al3Zr復(fù)相陶瓷粉體，原始反應(yīng)物粉末的成分配比為0-40wt％的AlN粉末，0-30wt％的ZrN粉末，10-85wt％的Al粉和30-70wt％的Zr粉，素坯的密度為35-50％，SHS反應(yīng)的氮氣壓力為1--30MPa。
對于AlN/ZrN復(fù)相陶瓷粉體，原始反應(yīng)物粉末的成分配比為70-80wt％的Zr粉和20-30wt％的AlN粉末，素坯的密度為35-50％，SHS反應(yīng)的氮氣壓力為1--30MPa。
對于AlN-SiC固溶體的反應(yīng)物的原始配比為Si和C為0-85atm％，Al為15-100atm％，atm％為原子百分比，氮氣的壓力為1--30MPa。
本法明的原理及優(yōu)點簡述如下
近期的研究表明，AlN由于其優(yōu)越的機械性能，可以作為金屬陶瓷和復(fù)相陶瓷的重要組成成分，在結(jié)構(gòu)陶瓷材料有望得到廣泛的應(yīng)用。其工藝流程如下(1)粉末按指定配比配制，(2)球磨6小時，(3)粉末烘干，過100目篩和(4)將粉末裝入燃燒室點燃。
由于金屬鋁的熔點較低，在燃燒過程中會發(fā)生熔融團聚，阻礙氮氣的滲透，所以提高氮氣壓力，向Al粉中加入AlN稀釋劑，降低素坯密度，以改善氮氣的滲透性，是提高Al粉氮化程度的關(guān)鍵。同時試樣尺寸對SHS AlN的燃燒過程有著重要影響，大尺寸試樣在燃燒過程中出現(xiàn)明顯的二次氮化峰，并且大尺寸試樣本身不同部位的燃燒行為在不同素坯密度和氮氣壓力條件下表現(xiàn)出不同的特征。作為結(jié)構(gòu)陶瓷，氮化鋁具有機械強度不高的缺點。因此利用AlN陶瓷的優(yōu)點，避開其缺點，在氮化鋁的基礎(chǔ)上，設(shè)計出多相復(fù)合材料，以取得性能的多重疊加優(yōu)勢。在Al-Zr-N系統(tǒng)中，AlN/ZrN復(fù)相陶瓷，綜合了AlN和ZrN的優(yōu)越的機械性能；同時在氮氣壓力較低條件下有Al3Zr相出現(xiàn)，而且Al3Zr相多分布在AlN和ZrN的晶界處，扮演了粘結(jié)相的角色，在SHS合成過程中實現(xiàn)了在氣-固體系中很難實現(xiàn)的同步致密化。
作為一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，碳化硅具有高度的共價鍵結(jié)合特性，目前以碳化硅為基的陶瓷材料以其高硬度、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性而成為熱機、高溫環(huán)境和化學(xué)化工等領(lǐng)域的研究應(yīng)用對象。α-SiC(2H)和AlN有相似的結(jié)構(gòu)，而且在化合價和晶胞參數(shù)上有很大的相似性。兩者相似的結(jié)構(gòu)和高溫性能意味著兩者的復(fù)合材料對材料性能的改進(jìn)有很大的幫助。SHS工藝開拓了低價制備高純AlN-SiC固溶體的應(yīng)用前景。


附圖1為本發(fā)明SHS反應(yīng)燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖，圖中點火絲1，反應(yīng)物坯體2，測溫的熱電偶3，樣品臺4。
具體實施例方式例1SHS合成超細(xì)氮化鋁粉體實驗所用鋁粉純度大于99％，粒度為250-300目；AlN純度為99.4％，粒度小于300目。反應(yīng)物含量Al為80wt％，AlN為20wt％。為防止AlN水解，以丙酮為介質(zhì)，在瑪瑙罐中球磨6小時，在空氣中烘干后，松裝于燃燒室中，或用限位模壓成一定的粉坯，粉坯和松裝反應(yīng)物的直徑均為120mm。在7MPa的氮氣壓力下點燃，所制得的氮化鋁氮化完全，其比表面為2-6m2/g，等效粒徑為0.3-0.9μm。
例2SHS合成AlN/ZrN/Al3Zr復(fù)相陶瓷粉體原始反應(yīng)物中Al和AlN粉末性能同例1。Zr粉純度大于98％，粒度小于200目。
粉末的成分配比為31wt％的AlN粉末，15.8wt％的Al粉和53.2wt％的Zr粉，素坯的密度為45％，SHS反應(yīng)的氮氣壓力5MPa，所得產(chǎn)物為AlN/ZrN/Al3Zr復(fù)相陶瓷粉體，粒徑在2-5μm之間。
例3SHS合成AlN/ZrN復(fù)相陶瓷粉體原始反應(yīng)物中Al和AlN粉末性能同例1。ZrN粉純度大于98％，粒度小于300目。
粉末的成分配比為80wt％的Al粉和20wt％的ZrN粉，素坯的密度為45％，SHS反應(yīng)的氮氣壓力5MPa，所得產(chǎn)物為AlN/ZrN復(fù)相陶瓷粉體，粒徑在2-5μm之間。
例4SHS合成AlN-SiC固溶體原始反應(yīng)物中Al和AlN粉末性能同例1。Si粉和C粉純度大于98％，粒度小于200目。
AlN-SiC固溶體的反應(yīng)物的原始配比為Si和C均為50atm％，Al為50atm％，氮氣的壓力為5MPa。所制得的AlN-SiC固溶體熱壓燒結(jié)后，性能為抗彎強度510MPa，HRA＝93，K1C＝6.21MPa·m1/2。
權(quán)利要求
1.一種自蔓延高溫合成AlN粉體和AlN基復(fù)相陶瓷粉體的方法，其特征在于AlN粉體的合成，原始反應(yīng)物的成分配比為50-90wt％的Al粉和10-50wt％的AlN粉；素坯的密度為35-60％，wt％為重量百分比，氮氣壓力1--30MPa。
2.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對于AlN/ZrN/Al3Zr復(fù)相陶瓷粉體，原始反應(yīng)物粉末的成分配比為0-40wt％的AlN粉末，0-30wt％的ZrN粉末，10-85wt％的Al粉和30-70wt％的Zr粉，素坯的密度為35-50％，SHS反應(yīng)的氮氣壓力為1--30MPa。
3.一種如權(quán)利1的制備方法，其特征在于對于AlN/ZrN復(fù)相陶瓷粉體，原始反應(yīng)物粉末的成分配比為70-80wt％的Zr粉和20-30wt％的AlN粉末，素坯的密度為35-50％，SHS反應(yīng)的氮氣壓力為1--30MPa。
4.一種如權(quán)利1的制備方法，其特征在于對于AlN-SiC固溶體的反應(yīng)物的原始配比為Si和C均為0-85atm％，Al為15-100atm％，atm％為原子百分比，氮氣的壓力為1--30MPa。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種自蔓延高溫合成超細(xì)AlN陶瓷粉體和AlN基復(fù)相陶瓷粉末。對于AlN粉體的制備原始反應(yīng)物的成分配比為50－90wt％的Al粉和10－50wt％的AlN粉；素坯的密度為35－60％，氮氣壓力1－30MPa。對于AlN/ZrN/Al
文檔編號C04B35/581GK1433999SQ0210019
公開日2003年8月6日 申請日期2002年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月22日
發(fā)明者葛昌純, 陳克新, 李江濤 申請人:北京科技大學(xué)