氮化铝

氮化铝，共价键化合物，是原子晶体，属类金刚石氮化物、六方晶系，纤锌矿型的晶体结构，无毒，呈白色或灰白色。氮化铝(AlN)是一种人工合成矿物，并非天然存在于大自然中。AlN的晶体结构类型为六方纤锌矿型，具有密度小(3.26g/cm3)、强度高、耐热性好（约3060℃分解）、热导率高、耐腐蚀等优点。

氮化铝（AlN）最高可稳定到2200℃。室温强度高，且强度随温度的升高下降较慢。导热性好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料。抗熔融金属侵蚀的能力强，是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的坩埚材料。氮化铝还是电绝缘体，介电性能良好，用作电器元件也很有希望。砷化镓表面的氮化铝涂层，能保护它在退火时免受离子的注入。氮化铝还是由六方氮化硼转变为立方氮化硼的催化剂。室温下与水缓慢反应.可由铝粉在氨或氮气氛中800~1000℃合成，产物为白色到灰蓝色粉末。或由Al2O3-C-N2体系在1600~1750℃反应合成，产物为灰白色粉末。或氯化铝与氨经气相反应制得.涂层可由AlCl3-NH3体系通过气相沉积法合成。AlN+3H2O==催化剂===Al（OH）3↓+NH3↑氮化铝于1877年首次合成。至1980年代，因氮化铝是一种陶瓷绝缘体(聚晶体物料为 70-210 W‧m−1‧K−1，而单晶体更可高达 275 W‧m−1‧K−1 )，使氮化铝有较高的传热能力，至使氮化铝被大量应用于微电子学。与氧化铍不同的是氮化铝无毒。氮化铝用金属处理，能取代矾土及氧化铍用于大量电子仪器。氮化铝可通过氧化铝和碳的还原作用或直接氮化金属铝来制备。氮化铝是一种以共价键相连的物质，它有六角晶体结构，与硫化锌、纤维锌矿同形。此结构的空间组为P63mc。要以热压及焊接式才可制造出工业级的物料。物质在惰性的高温环境中非常稳定。在空气中，温度高于700℃时，物质表面会发生氧化作用。在室温下，物质表面仍能探测到5-10纳米厚的氧化物薄膜。直至1370℃，氧化物薄膜仍可保护物质。但当温度高于1370℃时，便会发生大量氧化作用。直至980℃，氮化铝在氢气及二氧化碳中仍相当稳定。矿物酸通过侵袭粒状物质的界限使它慢慢溶解，而强碱则通过侵袭粒状氮化铝使它溶解。物质在水中会慢慢水解。氮化铝可以抵抗大部分融解的盐的侵袭，包括氯化物及冰晶石〔即六氟铝酸钠〕。(1) 热导率高(约320W/m·K)，接近BeO和SiC，是Al2O3的5倍以上；
(2) 热膨胀系数(4.5×10-6℃)与Si(3.5~4×10-6℃)和GaAs(6×10-6℃)匹配；
(3) 各种电性能(介电常数、介质损耗、体电阻率、介电强度)优良；
(4) 机械性能好，抗折强度高于Al2O3和BeO陶瓷，可以常压烧结；
(5) 纯度高；
(6) 光传输特性好；
(7) 无毒；
(8) 可采用流延工艺制作。是一种很有前途的高功率集成电路基片和包装材料。有报告指现今大部分研究都在开发一种以半导体（氮化镓或合金铝氮化镓）为基础且运行於紫外线的发光二极管，而光的波长为250纳米。在2006年5月有报告指一个无效率的二极管可发出波长为210纳米的光波[1]。以真空紫外线反射率量出单一的氮化铝晶体上有6.2eV的能隙。理论上，能隙允许一些波长为大约200纳米的波通过。但在商业上实行时，需克服不少困难。氮化铝应用於光电工程，包括在光学储存介面及电子基质作诱电层，在高的导热性下作晶片载体，以及作军事用途。
由于氮化铝压电效应的特性，氮化铝晶体的外延性伸展也用於表面声学波的探测器。而探测器则会放置於矽晶圆上。只有非常少的地方能可靠地制造这些细的薄膜。
利用氮化铝陶瓷具有较高的室温和高温强度，膨胀系数小，导热性好的特性，可以用作高温结构件热交换器材料等。
利用氮化铝陶瓷能耐铁、铝等金属和合金的溶蚀性能，可用作Al、Cu、Ag、Pb等金属熔炼的坩埚和浇铸模具材料。氮化铝陶瓷是一种高技术新型陶瓷。氮化铝基板具有极高的热导率，无毒、耐腐蚀、耐高温，热化学稳定性好等特点,是大规模集成电路，半导体模块电路和大功率器件的理想封装材料、散热材料、电路元件及互连线承载体。也是提高高分子材料热导率和力学性能的最佳添加料，氮化铝陶瓷还可用作熔炼有色金属和半导体材料砷化镓的坩埚、热电偶的保护管、高温绝缘件、微波介电材料、耐高温、耐腐蚀结构陶瓷及透明氮化铝微波陶瓷制品，用作高导热陶瓷生产原料及树脂填料等。氮化铝是电绝缘体，介电性能良好。砷化镓表面的氮化铝涂层，能保护它在退火时免受离子的注入。

氮化铝粉体的制备工艺主要有直接氮化法和碳热还原法，此外还有自蔓延合成法、高能球磨法、原位自反应合成法、等离子化学合成法及化学气相沉淀法等。

1、直接氮化法
直接氮化法就是在高温的氮气气氛中，铝粉直接与氮气化合生成氮化铝粉体，其化学反应式为2Al(s)+N₂(g)→2AlN(s)，反应温度在800℃-1200℃。
其优点是工艺简单，成本较低，适合工业大规模生产。其缺点是铝粉表面有氮化物产生，导致氮气不能渗透，转化率低；反应速度快，反应过程难以控制；反应释放出的热量会导致粉体产生自烧结而形成团聚，从而使得粉体颗粒粗化，后期需要球磨粉碎，会掺入杂质。

2、碳热还原法
碳热还原法就是将混合均匀的Al₂O₃和C在N₂气氛中加热，首先Al₂O₃被还原，所得产物Al再与N₂反应生成AlN，其化学反应式为：
Al₂O₃(s)+3C(s)+N₂(g)→2AlN(s)+3CO(g)
其优点是原料丰富，工艺简单；粉体纯度高，粒径小且分布均匀。其缺点是合成时间长，氮化温度较高，反应后还需对过量的碳进行除碳处理，导致生产成本较高。

3、高能球磨法
高能球磨法是指在氮气或氨气气氛下，利用球磨机的转动或振动，使硬质球对氧化铝或铝粉等原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，从而直接氮化生成氮化铝粉体的方法。
其优点是：高能球磨法具有设备简单、工艺流程短、生产效率高等优点。其缺点是：氮化难以完全，且在球磨过程中容易引入杂质，导致粉体的质量较低。

4、高温自蔓延合成法
高温自蔓延合成法是直接氮化法的衍生方法，它是将Al粉在高压氮气中点燃后，利用Al和N₂反应产生的热量使反应自动维持，直到反应完全，其化学反应式为：
2Al(s)+N₂(g)→2AlN(s)
其优点是高温自蔓延合成法的本质与铝粉直接氮化法相同，但该法不需要在高温下对Al粉进行氮化，只需在开始时将其点燃，故能耗低、生产效率高、成本低。其缺点是要获得氮化完全的粉体，必需在较高的氮气压力下进行，直接影响了该法的工业化生产。

5、原位自反应合成法
原位自反应合成法的原理与直接氮化法的原理基本类同，以铝及其它金属形成的合金为原料，合金中其它金属先在高温下熔出，与氮气发生反应生成金属氮化物，继而金属Al取代氮化物的金属，生产AlN。
其优点是工艺简单、原料丰富、反应温度低，合成粉体的氧杂质含量低。其缺点是金属杂质难以分离，导致其绝缘性能较低。

6、等离子化学合成法
等离子化学合成法是使用直流电弧等离子发生器或高频等离子发生器，将Al粉输送到等离子火焰区内，在火焰高温区内，粉末立即融化挥发，与氮离子迅速化合而成为AlN粉体。
其优点是团聚少、粒径小。其缺点是该方法为非定态反应，只能小批量处理，难于实现工业化生产，且其氧含量高、所需设备复杂和反应不完全。

7、化学气相沉淀法
它是在远高于理论反应温度，使反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压，导致其自动凝聚成晶核，而后聚集成颗粒。

氮化铝是良好的耐热冲击材料，是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的坩埚材料。导热性好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料。抗熔融金属腐蚀的能力强，是熔铸纯铁、铝和铝合金理想的坩埚材料。 应用如下： 1、 导热硅胶和导热环氧树脂 超高导热纳米复合硅胶具有良好的导热性， 良好的电绝缘性， 较宽的电绝缘性和使用温度（工作温度-60℃ --200℃）， 较低的稠度和良好的施工性能。产品已达或超过进口产品， 因为可取代同类进口产品而广泛应用于电子器件的热传递介质，提高工作效率。如CPU与散热器填隙、大功率三极管、可控硅元件、二极管、与基材接触的细缝处的热传递介质。纳米导热膏是填充IC或三极管与散热片之间的空隙，增大它们之间的接触面积，达到更好的散热效果。 2、纳米无机陶瓷车用润滑油及抗磨剂 纳米陶瓷机油中的纳米氮化铝陶瓷粒子随润滑油作用于发动机内部的摩擦副金属表面，在高温和极压的作用下被激活，并牢固渗嵌到金属表面凹痕和微孔中，修复受损表面，形成纳米陶瓷保护膜。因为这层膜的隔离作用，使机件间相对运动产生的摩擦只是作用于这层保护膜，纳米陶瓷粒子像小滚珠一样将摩擦副间的部分摩擦由传统的滑动摩擦转变为滚动摩擦，从而极大的降低摩擦力，将运动机件间的磨擦降至近乎零,对发动机起到超强的抗磨