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氮化铝粉体的表面改性及评价方法初探
氮化铝,化学式为AlN,以[AlN4]四面体为结构单元的共价键氮化
物,属六方晶系,具有低分子量、原子间结合力强、晶体结构简单、晶格
振荡协调性高等特点。
因其特有的晶格参数决定了其具有高的导热率、高强度,高体积电阻
率、高绝缘耐压、低介电损耗、热膨胀系数与硅匹配等优良特性,使其在
高导热陶瓷电子基板材料及封装材料得到“重用”,说它为最理想的电子基
板材料也不为过。
tips1:氮化铝的热导率数值及其他应用:
☞氮化铝单晶的理论导热系数为320W/(m·K),多晶氮化铝陶瓷热导率可
达到140-200W/(m·K),相当于传统树脂基板和氧化铝陶瓷的10倍左右。
☞此外,AlN具有直接带隙结构,理论上可实现从深紫外到深红外所有
波段的发光,是现在GaN基发光二极管、场效应管等不可或缺的材料。
图1AlN陶瓷基板
一、为什要对氮化铝粉体进行改性?
氮化铝粉末表面极为活泼,易与空气中的水汽反应,反应式如下图2,
AlN先转变为非晶AlOOH相,而后在一定的温度、pH值和离子活度条件
下可能转变为Al(OH)3,在粉末表面可能包覆为Al(OH)3或AlOOH(铝水
合物)薄膜,同时氧含量的增加,导致氮化铝陶瓷热导率的大幅下降。因
氮化铝这个特性,给其存储、运输及后期工艺等带来了一定的困难。
图2AlN粉末与空气中的水汽反应
tips2:氮化铝粉体的制备方法
高纯度、细粒度、窄粒度分度的AlN粉末制备方法主要有铝粉直接氮化
法、氧化铝碳热还原法、自蔓延高温合成法、化学气相沉积法、高能球磨
法等,工业上主要采用前两种制备氮化铝材料,其他的主要为实验研究。
tips3:氮化铝粉末水解程度确定方法
AlN粉末水解程度可通过XRD分析物相变化、SEM观察水解前后AlN
粉末颗粒形、TEM分析产物晶体结构和水解后的氨气在水中产生的NH4+
和OH-导致溶液pH值变化来确定。
此外,“陶瓷基板之王”氮化铝目前的主要成型方法是流延成型法,该法
具有生产效率高,生产成本低的特点,但AlN粉末的易水解性严重阻碍了
AlN陶瓷水基流延成型工艺的发展,而利用传统的非水基流延成型工艺成
本高,试样均匀性差,且挥发的有机物造成环境污染。
另外,作为氮化铝新的应用领域,例如导热塑料、导热胶等,也需要氮
化铝粉末具有较好的抗水解性能以及与有机物的相容性,较小的界面热阻
等。
因此,如何提高AlN粉末的抗水解能力和稳定性,对AlN粉末的表面改
性的研究成为热点课题。下文将为简单解析氮化铝的表面改性方法。
二、氮化铝的表面改性方法
AlN粉体的表面改性技术有很多,基本原理为对粉体表面进行相应的物
理吸附或化学处理,在AlN颗粒包覆或形成较薄反应层,阻止AlN粉末与
水的水解反应。主要方法有包覆改性法、表面化学改性法、热处理法等
等。
图3、氮化铝的表面改性方法
1、包覆改性法
包覆改性是一种应用时间较久的传统改性方法,是用无机化合物或有机
化合物对AlN粉体表面进行包覆,对粒子的团聚起到减弱或屏蔽作用,而
且由于包覆物产生了空间位阻斥力,使粒子再团聚十分困难,从而达到表
面改性的目的。用于包覆改性的改性剂有表面活性剂、无机物、超分散剂
等。
a、表面活性剂法
根据AlN粒子表面电荷的性质,采用加入阳离子或阴离子表面活性剂,
改变粉体分散体系中气液、固液界面张力,在粉体表面形成碳氧链向外伸
展的具有一定厚度的包覆层。利用表面活性剂的亲水基团对固体的吸附
性、化学反应活性及其降低表面张力的特性可以控制纳米粉体的亲水性、
亲油性、表面活性,改变粉体的表面特性或赋予粉体新的性质。
具体体现在如下三方面:
☞亲水基团与表面基团结合生成新结构,赋予粉体表面新的活性;
☞降低粉体的表面能使其处于稳定状态;
☞表面活性剂的亲油基团在表面形成空间位阻,防止粉体的再团聚,由此
改善纳米粉体在不同介质中的分散性等。
示例:
郭兴忠等人研究发现有机羧酸和聚乙二醇改性后的AlN粉末在水中浸泡
48h后Al(OH)3相不明显,表明有机羧酸包裹在AlN粉末表面,阻碍了水
分子向AlN粉体表面侵蚀。
b、无机包覆改性
AlN粉末无机表面改性就是将无机化合物或金属通过一定的手段在其表
面沉积,形成包覆膜,或者形成核一壳复合颗粒,改善
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