視頻：導(dǎo)熱絕緣材料氮化鋁陶瓷知多少

概要：氮化鋁，共價鍵化合物，化學(xué)式為AIN，是原子晶體，屬類金剛石氮化物、六方晶系，纖鋅礦型的晶體結(jié)構(gòu)，無毒，呈白色或灰白色。

知識點名稱：氮化鋁

關(guān)鍵詞：氮化鋁,

相關(guān)概念和介紹：

氮化鋁是一種綜合性能優(yōu)良的陶瓷材料，對其研究可以追溯到一百多年前，它是由F.Birgeler和A.Geuhter在1862年發(fā)現(xiàn)的，并于1877年由J.W.MalletS首次合成了氮化鋁。氮化鋁(AlN)是一種六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的共價鍵化合物，晶格參數(shù)為a=3.114，c=4.986。純氮化鋁呈藍白色，通常為灰色或灰白色，是典型的III-Ⅴ族寬禁帶半導(dǎo)體材料。

在氮化鋁一系列重要的性質(zhì)中，最為顯著的是高的熱導(dǎo)率。關(guān)于氮化鋁的導(dǎo)熱機理，國內(nèi)外已做了大量的研究，并已形成了較為完善的理論體系。主要機理為：通過點陣或晶格振動，即借助晶格波或熱波進行熱的傳遞。量子力學(xué)的研究結(jié)果告訴我們，晶格波可以作為一種粒子——聲子的運動來處理。熱波同樣具有波粒二象性。載熱聲子通過結(jié)構(gòu)基元(原子、離子或分子)間進行相互制約、相互協(xié)調(diào)的振動來實現(xiàn)熱的傳遞。如果晶體為具有完全理想結(jié)構(gòu)的非彈性體，則熱可以自由的由晶體的熱端不受任何干擾和散射向冷端傳遞，熱導(dǎo)率可以達到很高的數(shù)值。其熱導(dǎo)率主要由晶體缺陷和聲子自身對聲子散射控制。

理論上AlN熱導(dǎo)率可達320W·m-1·K-1，但由于AlN中的雜質(zhì)和缺陷造成實際產(chǎn)品的熱導(dǎo)率還不到200W·m-1·K-1。這主要是由于晶體內(nèi)的結(jié)構(gòu)基元都不可能有完全嚴(yán)格的均勻分布，總是存在稀疏稠密的不同區(qū)域，所以載流聲子在傳播過程中，總會受到干擾和散射。

AlN最高可穩(wěn)定到2200℃。室溫強度高，且強度隨溫度的升高下降較慢。導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小，是良好的耐熱沖擊材料?？谷廴诮饘偾治g的能力強，是熔鑄純鐵、鋁或鋁合金理想的坩堝材料。氮化鋁還是電絕緣體，介電性能良好，用作電器元件也很有希望。砷化鎵表面的氮化鋁涂層，能保護它在退火時免受離子的注入。氮化鋁還是由六方氮化硼轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎降鸬拇呋瘎Ｊ覝叵屡c水緩慢反應(yīng).可由鋁粉在氨或氮氣氛中800~1000℃合成，產(chǎn)物為白色到灰藍色粉末?；蛴葾l2O3-C-N2體系在1600~1750℃反應(yīng)合成，產(chǎn)物為灰白色粉末?；蚵然X與氨經(jīng)氣相反應(yīng)制得.涂層可由AlCl3-NH3體系通過氣相沉積法合成。

氮化鋁于1877年首次合成。至1980年代，因氮化鋁是一種陶瓷絕緣體(聚晶體物料為 70-210 W?m?1?K?1，而單晶體更可高達 275 W?m?1?K?1 )，使氮化鋁有較高的傳熱能力，至使氮化鋁被大量應(yīng)用于微電子學(xué)。與氧化鈹不同的是氮化鋁無毒。氮化鋁用金屬處理，能取代礬土及氧化鈹用于大量電子儀器。氮化鋁可通過氧化鋁和碳的還原作用或直接氮化金屬鋁來制備。氮化鋁是一種以共價鍵相連的物質(zhì)，它有六角晶體結(jié)構(gòu)，與硫化鋅、纖維鋅礦同形。此結(jié)構(gòu)的空間組為P63mc。要以熱壓及焊接式才可制造出工業(yè)級的物料。物質(zhì)在惰性的高溫環(huán)境中非常穩(wěn)定。在空氣中，溫度高于700℃時，物質(zhì)表面會發(fā)生氧化作用。在室溫下，物質(zhì)表面仍能探測到5-10納米厚的氧化物薄膜。直至1370℃，氧化物薄膜仍可保護物質(zhì)。但當(dāng)溫度高于1370℃時，便會發(fā)生大量氧化作用。直至980℃，氮化鋁在氫氣及二氧化碳中仍相當(dāng)穩(wěn)定。礦物酸通過侵襲粒狀物質(zhì)的界限使它慢慢溶解，而強堿則通過侵襲粒狀氮化鋁使它溶解。物質(zhì)在水中會慢慢水解。氮化鋁可以抵抗大部分融解的鹽的侵襲，包括氯化物及冰晶石〔即六氟鋁酸鈉〕。

氮化鋁粉體的制備方法

氮化鋁粉體的制備工藝主要有直接氮化法和碳熱還原法，此外還有自蔓延合成法、高能球磨法、原位自反應(yīng)合成法、等離子化學(xué)合成法及化學(xué)氣相沉淀法等。

1、直接氮化法：直接氮化法就是在高溫的氮氣氣氛中，鋁粉直接與氮氣化合生成氮化鋁粉體，其化學(xué)反應(yīng)式為2Al(s)+N2(g)→2AlN(s)，反應(yīng)溫度在800℃-1200℃。

2、碳熱還原法：碳熱還原法就是將混合均勻的Al2O3和C在N2氣氛中加熱，首先Al2O3被還原，所得產(chǎn)物Al再與N2反應(yīng)生成AlN，其化學(xué)反應(yīng)式為：Al2O3(s)+3C(s)+N2(g)→2AlN(s)+3CO(g)

3、高能球磨法：高能球磨法是指在氮氣或氨氣氣氛下，利用球磨機的轉(zhuǎn)動或振動，使硬質(zhì)球?qū)ρ趸X或鋁粉等原料進行強烈的撞擊、研磨和攪拌，從而直接氮化生成氮化鋁粉體的方法。

4、高溫自蔓延合成法：高溫自蔓延合成法是直接氮化法的衍生方法，它是將Al粉在高壓氮氣中點燃后，利用Al和N2反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使反應(yīng)自動維持，直到反應(yīng)完全，其化學(xué)反應(yīng)式為：2Al(s)+N2(g)→2AlN(s)

5、原位自反應(yīng)合成法：原位自反應(yīng)合成法的原理與直接氮化法的原理基本類同，以鋁及其它金屬形成的合金為原料，合金中其它金屬先在高溫下熔出，與氮氣發(fā)生反應(yīng)生成金屬氮化物，繼而金屬Al取代氮化物的金屬，生產(chǎn)AlN。

6、等離子化學(xué)合成法：等離子化學(xué)合成法是使用直流電弧等離子發(fā)生器或高頻等離子發(fā)生器，將Al粉輸送到等離子火焰區(qū)內(nèi)，在火焰高溫區(qū)內(nèi)，粉末立即融化揮發(fā)，與氮離子迅速化合而成為AlN粉體。

7、化學(xué)氣相沉淀法：它是在遠高于理論反應(yīng)溫度，使反應(yīng)產(chǎn)物蒸氣形成很高的過飽和蒸氣壓，導(dǎo)致其自動凝聚成晶核，而后聚集成顆粒。

特性

(1)熱導(dǎo)率高(約320W/m·K)，接近BeO和SiC，是Al2O3的5倍以上；

(2)熱膨脹系數(shù)(4.5×10-6℃)與Si(3.5~4×10-6℃)和GaAs(6×10-6℃)匹配；

(3)各種電性能(介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、體電阻率、介電強度)優(yōu)良；

(4)機械性能好，抗折強度高于Al2O3和BeO陶瓷，可以常壓燒結(jié)；

(5)純度高；

(6)光傳輸特性好；

(7)無毒；

(8)可采用流延工藝制作。是一種很有前途的高功率集成電路基片和包裝材料。

應(yīng)用:

由于氮化鋁壓電效應(yīng)的特性，氮化鋁晶體的外延性伸展也用於表面聲學(xué)波的探測器。而探測器則會放置於矽晶圓上。只有非常少的地方能可靠地制造這些細的薄膜。利用氮化鋁陶瓷具有較高的室溫和高溫強度，膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性好的特性，可以用作高溫結(jié)構(gòu)件熱交換器材料等。利用氮化鋁陶瓷能耐鐵、鋁等金屬和合金的溶蝕性能，可用作Al、Cu、Ag、Pb等金屬熔煉的坩堝和澆鑄模具材料。

氮化鋁具備高電阻率，高熱導(dǎo)率(為Al2O3的8-10倍)，與硅相近的低膨脹系數(shù)，是高溫和高功率的電子器件的理想材料?？梢詰?yīng)用于：電子封裝基片材料；應(yīng)用于發(fā)光材料；應(yīng)用于襯底材料；應(yīng)用于陶瓷及耐火材料；復(fù)合材料（如環(huán)氧樹脂/AlN復(fù)合材料作為封裝材料）等。

信息來源：

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1. 氮化鋁
2. 一文了解氮化鋁，最具發(fā)展前景的陶瓷材料之一！

延伸閱讀：

1.氮化鋁陶瓷網(wǎng)鏈搜集

2.一文了解氮化鋁陶瓷的應(yīng)用

3.氮化鋁陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈全景圖2020