Aluminiumnitrid (AlN) ist ein Hochleistungswerkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit (320 W·m⁻¹·K⁻¹), hervorragender elektrischer Isolierung (> 10¹⁴ Ω·cm) und starken mechanischen Eigenschaften. Seine niedrige Dielektrizitätskonstante (8,0 bei 1 MHz) und der minimale dielektrische Verlust (tanδ = 10⁻⁴) machen ihn ideal für die Elektronik..
Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:
Verpackung von Stromversorgungsgeräten
AlN-Keramiksubstrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit
Material elektrostatischer Spannfutter für die Halbleiterverarbeitung
Hervorragende Isolierkeramik Komponenten ( Keramikheizungen,Keramikdüsen)
AlN vereint Wärmemanagement, elektrischen Widerstand und Haltbarkeit für den fortgeschrittenen industriellen Einsatz.
AlN-Keramiken werden aus AlN-Pulver gesintert. Hochwertiges AlN-Pulver ist Voraussetzung für die Herstellung leistungsstarker AlN-Keramiken. Die Herstellung des AlN-Pulvers beeinflusst maßgeblich das Sintern, die Formgebung und die Wärmeleitfähigkeit des Endprodukts. Industriell gibt es drei Hauptverfahren zur Herstellung von AlN-Pulver: Direktnitrierung, selbstausbreitende Hochtemperatursynthese (SHS) und carbothermische Reduktion.
1. Prinzip der carbothermischen Reduktionsmethode
Das carbothermische Reduktionsverfahren verwendet typischerweise Aluminiumverbindungen (wie Aluminiumoxid oder Aluminiumhydroxid) und überschüssigen elementaren Kohlenstoff oder organischen Kohlenstoff als Rohstoffe. Diese werden in einer Stickstoff- (N₂) oder Ammoniakatmosphäre (NH₃) bei hohen Temperaturen umgesetzt. Anschließend wird das Produkt in einer oxidierenden Atmosphäre bei 500–700 °C entkohlt, um AlN-Pulver zu erhalten. Dieses Verfahren liefert Pulver mit niedrigem Sauerstoffgehalt, hoher Reinheit, enger Partikelgrößenverteilung und regelmäßiger Partikelmorphologie.
Der Reaktionsmechanismus lässt sich wie folgt zusammenfassen:
①Reduktion von Aluminiumoxid: Kohlenstoff reduziert Aluminiumoxid und bildet Zwischenprodukte wie Al(g) und Al₂O(g).
②Nitrierung: Aluminium reagiert mit Stickstoff zu AlN.
Der Reaktionsmechanismus der carbothermischen Reduktion lässt sich in Gas-Feststoff- und Festkörper-Reaktionen unterteilen. Experimentelle Beobachtungen von Aluminiumdampf-Emissionsspitzen stützen die Bildung gasförmiger Aluminiumzwischenprodukte unter bestimmten Bedingungen. Die Gas-Feststoff-Reaktion erklärt den Massenverlust während des Prozesses und den mit dem Whiskerwachstum verbundenen Massentransfer. Der Festkörper-Festkörper-Reaktionsmechanismus erklärt die morphologische Kontinuität zwischen Produkt und Vorläufer sowie die Bildung von Zwischenverbindungen wie Al-OC und Al-CN während der Umwandlung von Al₂O₃. Dieser Mechanismus ist allgemein anerkannt.
Der Herstellungsprozess von AlN-Pulver umfasst hauptsächlich Kugelmahlen und Mischen, Nitrierungssynthese, Entkohlung bei niedrigen Temperaturen und AlN-Zerkleinerung/-Rückgewinnung.
2. Prozesscharakteristika der carbothermischen Reduktion
Die carbothermische Reduktion bietet Vorteile wie die Verfügbarkeit reichlich vorhandener Rohstoffe, die einfache Verarbeitung und die Eignung für die Großserienproduktion. Das synthetisierte Pulver weist eine hohe Sphärizität, Reinheit, feine Partikelgröße, eine enge Größenverteilung und eine gute Dispergierbarkeit auf und ist daher das wichtigste industrielle Verfahren zur Herstellung von AlN-Pulver. Im Vergleich zur Direktnitrierung und SHS liefert die carbothermische Reduktion bessere Sphärizität und AlN-Pulver mit höherer Reinheit .
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