سنتز نیترید آلومینیوم خلوص بالا به روش نیتروژن دهی مستقیم پودر آلومینیوم

مقدمه

نیترید آلومینیوم بخاطر ویژگی­های بسیار مهم آنبه عنوان یک ماده پرکاربرد در زمینه­های الکترونیکی، موتورهای حرارتی و کاربردهای شیمیایی مورد استفاده قرار می­گیرد. نیترید آلومینیوم نسبت به آلومینیوم هدایت حرارتی بالاتر، انبساط حرارتی پایین­تر دارد.دارای ثابت دی الکتریک مناسب، دانسیته کم و قدرت دی الکتریک بالا است.این ویژگی­ها باعث می­شود که در کاربردهای الکتریکی جایگزین مناسبی برای آلومینا باشد. هدایت حرارتی بالای آن باعث شده به عنوان کنترل کننده­ دما در کاربردهای الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. زیرا با افزایش چگالی، انرژی گرمایی زیادی را که باید از ماده خارج شود، به خود جذب می­کند. انبساط حرارتی پایین آن نیز باعث می­شود که ترکیبات جدید، بدون اتلاف درطی عملیات حرارتی در سطح ماده تشکیل شوند.این ماده نسبت به سایر فلزات مذاب از قبیل: آلومینیوم،مس،لیتیوم،اورانیوم، آلیاژهای آهن دارای مقاومت  بالاتری در برابر خوردگی می­باشدو به عنوان پوشش در برابر خوردگی مواد مورد استفاده قرار می­گیرد.افزودن نیترید آلومینیوم به شیشه و پلیمر باعث بهبود خواص حرارتی آنها می­شود.

نیترید آلومینیوم خواص الکتریکی، مکانیکی و شیمیایی خوبی را برای استفاده در زمینه الکترونیک و کاربردهای سازه ای دارد، اما این پدیده بطور طبیعی رخ نمی­دهد و پودر باید به صورت شیمیایی سنتز شود. بنابراین پس از بررسی خواص مختلف به بیان روش­های مختلف سنتز نیترید آلومینیوم خواهیم پرداخت. تولید تجاری پودر نیترید آلومینیوم به کمک فرایندهایی مانند احیای کربوترمال آلومیناو نیتروژن­دهی مستقیم آلومینیوم، صورت می­گیرد در حالی که در مقیاس آزمایشگاهی روش­های دیگری مانند رسوب بخار شیمیایی، قوس پلاسمایی، سل ژل و... نیز مطرح می­شود.

نیترید آلومینیوم ماده­ای با پیوند کووالانسی و قدرت نفوذپذیری کم است و برای زینترینگ نیاز به دماهای بالا دارد. به دلیل حضور یک لایه محافظت کننده اکسید بر سطح پودر و علاوه بر آن حضور اکسیژن در شبکه کریستالی، نمی­توان به ضریب هدایت حرارتی بالا بدون اضافه کردن کمک زینترها دست پیدا کرد. بنابراین نقش کمک زینترها که ایجاد فاز مایع و واکنش با سطح اکسید متراکم آلومینا و عمل به عنوان گاززدا، برای جدا کردن اکسیژن از شبکه نیز باید بررسی شود[1].

1 -خواص

1-1- ساختار کریستالی

نیترید آلومینیوم خالص یک ماده عایق است. تحت ساختار هگزاگونال کریستالیزه می­شود و پارامترهای سلول واحد آن به قرار زیر است:a=0.311nm و c=0.498nm.می­توان آنرا توسط ساختار هگزاگونال متراکم (HCP) نمایش داد[2و3]. 

1-2- خواص فیزیکی

همانطور که در جدول 2 می­بینید دانسیته تئوری نیترید آلومینیومg/cm326/3 می­باشد. دمای ذوب یا نقطه­ی تجزیه آن C°2900، تحت 100 اتمسفر فشار نیتروژن گزارش شده است .نیترید آلومینیوم درC°2450 به آلومینا و نیتروژن تجزیه می­شود.

جدول 2. برخی خواص فیزیکی پلی کریستال نیترید آلومینیوم و آلومینا واکسید برلیم[4و5]

 

AlN

BeO

Al2O3

درصد تخلخل

5/99˃

5/99

99˃

چگالی (kg/m3)

3250

2900

3890

سختی ویکرز (GPa)

12

12

27-23

 

 

1-3- خواص حرارتی

جدول 3 مقایسه بین نیترید آلومینیوم و موادی که اخیرا در صنعت الکتریک استفاده شده­اند را، از نظر خواص حرارتی نشان می­دهد.. هدایت حرارتی تک کریستال نیترید آلومینیوم در حدود W.m-1.K-1 320تخمین زده شده است. امااین مقدار برای  پلی کریستال نیترید آلومینیوم سنتز شده، در حدود W.m-1.K-1 200-80است. ضریب انبساط حرارتی آن C°4.4×10-6/ است، که این مقدار خیلی به ضریب هدایت حرارتی سیلیکون (3.2×10-6/°C) نزدیک است. این دو خاصیت باعث شده است که نیترید آلومینیوم بهترین ماده برای تولید مدارهایی با انرژی و توان بالا باشد[1].

جدول 3- خواص حرارتی نیترید آلومینیوم در مقایسه با دیگر مواد[1]

 

نیترید آلومینیم

آلومینا

اکسید برلیم

سیلسیم

هدایت حرارتی در دمای اتاق

(W.m-1.K-1)

160(320*)

20

260(370*)

120

ضریب انبساط حرارتی در دمای اتاق تا C°400 (×10-6/°C)

4/4

2/7

8

2/3

*مقدار تئوری

 

هدایت حرارتی

همان طور که قبلا اشاره شد، هدایت حرارتی نیترید آلومینیوم به صورت تئوری 320W.m-1.K-1 است[7]، اما بالاترین مقدار تجربی به دست آمده 270W.m-1.K-1است[8]. برای اینکه هدایت حرارتی به دست آمده نزدیک به هدایت حرارتی تک کریستال و یا مقادیر تئوری باشد، باید ماده تک فاز و خالص باشد و تخلخل کمی داشته باشد[9]. وجود اکسیژن در شبکه و بر روی سطح پودر باعث کاهش اساسی هدایت حرارتی می شود. بدین ترتیب که وقتی اکسیژن جایگزین نیتروژن می­شود بخاطر اختلاف حجم بین اکسیژن و نیتروژن باعث بوجود آمدن جای خالی، در نتیجه پخش شدن فونون می­شود که نقش بسزایی را در هدایت حرارتی برای عایق­های الکتریکی سرامیکی مانند نیترید آلومینیوم ایفا می­کنند.

1-4- خواص شیمیایی

هیدرولیز و اکسیداسیون

اگر پودر نیترید آلومینیوم با هوای مرطوب واکنش دهد، زیان­بار است. این واکنش توسط چند مکانیزم زیر صورت می­گیرد[12]:

الف ) هیدرولیز در دمای پایین (C°100>) :                                    

AlN + 2H2O (g) = AlO.OH + NH3

ب ) هیدرولیز در دمای بالا (°C 300-100):

2AlN + 3H2O = Al2O3 + 2NH3

ج ) اکسیداسیون در دمای بالا (°C700-300):

4AlN + 3O2 = 2Al2O3 + 2N2

این واکنش ها، هنگام کلسینه شدن در هوا، هنگام فراوری نیترید آلومینیوم، یا انبار کردن پودر در هوای مرطوب رخ می دهد. از طرف دیگر با توجه به تحقیقات انجام شده[13]، وقتی نیترید آلومینیوم در آب جوش  C° 100وارد می­شود،  γ.AlO.OHتشکیل می­شود. اما این واکنش­ها در هوای مرطوب و دمای اتاق به سرعت رخ نمی­دهد. پودر نیترید آلومینیوم مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون در هوا، از دمای اتاق تا C°1000 دارد.

سرعت اکسیداسیون یک سطح مشخص از نیترید آلومینیوم توسط اسلک گزارش شده است. در حدود         A°100-50 اکسید در روز در دمای اتاق تشکیل می­شود[7].

  

شکل 2- رفتار اکسیداسیون AlNدر دماهای متفاوت

 

1-5- خواص اپتیکی

مقاومت در برابر خوردگی

مقاومت در برابر خوردگی نیترید آلومینیوم نیز مطالعه شده است­، به این ترتیب که کریستال­های نیترید آلومینیوم را در دمای اتاق در آب فرو می­برند، برای چندین ماه هیج تغییر قابل رویتی مشاهده نمی­شود اما هنگام جوشیدن مخلوطی شامل هیدروکلریک  و آب، انحلال کمی مشاهدهمی­شود[1].

رنگ

رنگ کریستال­های نیترید آلومینیوم از سفید تا آبی تیره متفاوت است. ریگزارش داد که نیترید آلومینیوم خالص از کریستال­های هگزاگونالی آبی تشکیل می­شود. در حال که لانگ ادعا کرد که نیترید آلومینیوم خالص سفید رنگ است و رنگ آبی آن نتیجه حضور 7 درصد آلومینیوم اکسی کرباید (Al2OC) است. Al2OCنتیجه واکنش بین کربن منواکسید حاصل از واکنش گرافیت موجود در کوره با اکسیژن ته نشین شده و آلومینیوم رسوب داده شده در نمونه به وجود می­آید[1].

 

1-6- خواص مکانیکی

استحکام شکست نیترید آلومینیوم در دمای اتاق MPa50-35بسیار بالاتر از MPa 32-31برای آلومینا و 25MPa برای اکسید برلیم است.از طرف دیگر سختی ویکرز آن 1200MPa نصف MPa2700-2300برای آلومینا است. یعنی نیترید آلومینیوم پر استحکام­تر از آلومینا و اکسید برلیم است و راحت­تر ماشین­کاری می­شود.

جدول 4 -  برخی خواص فیزیکی پلی کریستال نیترید آلومینیم و آلومینا و اکسید برلیم[4و5]

آلومینا

اکسید برلیم

نیترید آلومینیم

 

99˂

5/99

>5/99

%تخلخل

3890

2900

3250

چگالی (kg/m3)

27-23

12

12

سختی ویکرز (GPa)

314-304

245

490-340

استحکام خمشی(MPa)

مات

مات

48

%عبور نور

=6μmλ و t=0.5mm

 ادامه دارد....

 

 

 

 

/ 0 نظر / 129 بازدید