V zadnjih letih so raziskovalci Toyo Tanso Co., Ltd. na Japonskem preučevali sintezo aluminijevega nitrida z zgorevanjem. Uspešno so pripravili ohlapen, neaglomeriran prah AlN. V tem procesu se surovi aluminijev prah zmeša z ustrezno količino prahu AlN, predhodno pripravljenega s sintezo zgorevanja, da se zniža reakcijska temperatura. Zmes damo v grafitni pladenj in sprožimo reakcijo nitriranja s prehodom kratkotrajnega toka nekaj deset amperov skozi ogljikov grelec. Celotna reakcija poteka v visokotlačni reakcijski komori, napolnjeni z dušikom pri tlaku pod 1 MPa. Nastali AlN se nato zdrobi in razvrsti z običajnimi metodami glede na zahteve uporabe.
Celoten postopek od nalaganja do odstranitve izdelka po ohlajanju ne traja več kot dve uri. Analiza kaže, da v primerjavi z običajnimi postopki priprave AlN ta metoda sinteze z zgorevanjem zmanjša stroške za približno 30–50 %. Glede na prednosti in koristi te nove metode sinteze z zgorevanjem se je proizvodnja AlN začela s projektom skupnega podjetja s Shanghai Toyo Tanso Co., Ltd.
Aluminijev nitrid (AlN) je zaradi svoje visoke toplotne prevodnosti, odlične električne izolacije, nizke dielektrične konstante, koeficienta toplotne razteznosti, ki se ujema s silicijevim (Si), in prijaznosti do okolja postal prednostni material za keramične podlage v elektronski embalaži. Učinkovito lahko reši težave, kot je odvajanje toplote v napravah z visoko močjo in neusklajenost toplotne obremenitve, in se pogosto uporablja na ključnih področjih, kot so mobilne komunikacije pete generacije (5G), vozila z novo energijo in vesoljski promet.
Glavne metode sinteze prahu AlN vključujejo neposredno nitriranje in karbotermalno redukcijo.
Neposredno nitriranje vključuje namestitev aluminijevega prahu v dušik in njegovo segrevanje na visoko temperaturo. Njegove prednosti vključujejo obilo surovin, preprost postopek in brez stranskih reakcij, zaradi česar je relativno primeren za industrijsko proizvodnjo.
Karbotermalna redukcija uporablja prah aluminijevega oksida in ogljikov prah kot surovini. Po enakomernem mešanju se reducirajo in nitrirajo, da se tvori AlN v tekoči atmosferi dušika pri visoki temperaturi 1600–1800 stopinj. Trenutno je večina komercialnih prahov AlN pripravljena s karbotermalno redukcijo. AlN prah, proizveden s to metodo, ima prednosti, kot so visoka čistost, dobra sferičnost, enostavnost sintranja in velika stabilnost.
Poleg tradicionalne direktne nitridacije aluminijevega prahu in karbotermalne redukcije, zgorevalna sinteza (CS) uporablja eksotermno reakcijo, ki se samo širi med aluminijevim prahom in dušikom, da učinkovito sintetizira prah AlN. Odpravlja pomanjkljivosti trenutnih glavnih postopkov priprave prahu AlN, kot sta zapletenost in visoka poraba energije, in ima pomembne prednosti, vključno s preprostim potekom postopka, nizko porabo energije in kratkim proizvodnim ciklom. Kaže velik potencial za obsežno pripravo prahu AlN in si zasluži veliko pozornosti in pričakovanja industrije.
Napredek raziskav pri pripravi prahu AlN s sintezo z zgorevanjem
Odkar je to tehnologijo predlagala ekipa Merzhanova v Sovjetski zvezi, je bila uporabljena za pripravo različnih materialov in je dosegla industrijsko proizvodnjo s svojimi značilnostmi in prednostmi, zlasti v keramičnih prahovih, intermetalnih spojinah, keramičnih prevlekah in na drugih področjih.
Sintezo AlN z zgorevanjem lahko obravnavamo kot razširjeno metodo neposrednega nitriranja prahu Al. Pri tej metodi prah Al reagira v visokotlačnem dušiku. Reakcija je hitra in toplota, ki nastane pri reakciji med Al in dušikom, lahko samodejno vzdržuje reakcijo do konca. Plast AlN, ki nastane na površini prahu Al, lahko zaradi burne reakcije poči, izpostavljena sveža površina pa lahko še naprej reagira. Ta metoda je hitra in učinkovita ter je pritegnila veliko pozornosti. Čeprav je njeno bistvo enako neposrednemu nitriranju prahu Al, ta metoda ne zahteva zunanje energije za vzdrževanje visokotemperaturnega okolja, potrebnega za nitriranje Al; vžgati ga je treba le v začetni fazi reakcije, s čimer se močno zmanjša poraba energije.
Največja težava pri zgorevalni sintezi je, da bi v procesu zgorevanja plina Al–N2 in trdne snovi, če bi reakcija potekala do konca, odvisno samo od N2 v porah reakcijskega območja, zahtevani tlak N2 dosegel na tisoče atmosfer. Zato je zgodnja sinteza prahu AlN z zgorevanjem večinoma uporabljala sintezo ultravisokega tlaka, s tlakom N2 do 310 MPa. Vendar inherentna ostrina visokotlačnih reakcijskih pogojev nalaga zelo visoke zahteve glede tehničnih specifikacij opreme in vključuje visoko tveganje, kar močno omejuje njeno obsežno uporabo in razvoj.
V odgovor so se poznejše raziskave večinoma osredotočile na optimizacijo procesa zgorevanja. V bistvu gre za usmerjeno regulacijo prenosa energije in mase na vmesniku Al–N2. S sinergijsko optimizacijo parametrov strukture zgorevalnega vala (temperatura zgorevanja, hitrost širjenja itd.) se vzpostavi korelacijski mehanizem med temi parametri in lastnostmi produkta (mikrostruktura, porazdelitev velikosti delcev, čistost itd.).
Ohranjanje lastnosti infiltracijskega zgorevanja Al–N2
Poraba plina v reakcijskem območju povzroči lokalni padec tlaka in nastali gradient tlaka požene N2, da spontano infiltrira usmerjeno v reakcijsko območje. Vendar učinek predgretja na sprednji strani zgorevalnega vala povzroči, da se delci Al stopijo in združijo ter tvorijo difuzijsko pregrado. Da bi ohranili značilnosti infiltracijskega zgorevanja Al–N2, je treba uravnotežiti reakcijsko termodinamiko in medfazno kinetiko Al–N2, preprečiti nastajanje prekomerne količine taline Al in se izogniti blokadi kanala por in kolapsu reakcijskega vmesnika. Inertna razredčila lahko znatno povečajo toplotno kapaciteto reakcijskega sistema zgorevanja. Z endotermnimi učinki povečajo disipacijo energije in oslabijo reakcijsko kinetično aktivnost, s čimer občutno znižajo najvišjo temperaturo reakcije zgorevanja in izrazito upočasnijo hitrost širjenja zgorevalnega vala.
Trenutno je strategija trdnofaznega razredčila dosegla učinkovito in popolno nitriranje Al prahu pod nizkim tlakom/blizu tlaka okolice, kar je postalo ključna pot za preboj v nadzoru vmesnika reakcije Al–N2. Vendar pa razredčila v trdni fazi neizogibno zmanjšajo izkoristek produkta. Zato za zagotovitev izkoristka izdelka raziskovalci uvedejo pline, kot sta Ar in H2. Z redčenjem parcialnega tlaka dušika v reakcijskem območju in zmanjšanjem verjetnosti trka molekul reaktantov lahko ti plini učinkovito znižajo reakcijsko temperaturo zgorevanja in hitrost širjenja. Vendar uvedba H2 zavre reakcijsko pretvorbo, kar povzroči povečanje vsebnosti preostalega aluminija. Zgornji rezultati kažejo, da je ohranjanje značilnosti infiltracijskega zgorevanja Al–N2 ključnega pomena za doseganje obsežne priprave prahu AlN pod nizkim/blizu tlaka okolice, kar kaže na tehnično usmeritev za povezano optimizacijo postopka.
Temperatura reakcije zgorevanja
Under the infiltration combustion framework, regulating the aluminum powder content and nitrogen pressure is the most direct and controllable process means. Studies show that when the aluminum powder content decreases from 60% (mole fraction) to 40% (diluent content increases from 40% to 60%), the adiabatic temperature of the system significantly decreases from 4120 K to 2890 K, and the maximum combustion reaction temperature decreases from >2573 K do 2057 K. Znižanje temperature zgorevanja močno zmanjša atomsko difuzijsko hitrost in kinetiko rasti produkta AlN zrn v visokotemperaturnem območju, s čimer se učinkovito izboljša velikost zrn AlN in izboljša njegova morfološka enotnost.
Čeprav adiabatna temperatura sistema ostane konstantna, ko se tlak dušika poveča, se temperatura reakcije zgorevanja dvigne. Povišanje temperature reakcije zgorevanja poveča atomsko difuzijsko sposobnost in podaljša čas, ki ga zrna preživijo v visokotemperaturnem območju, s čimer znatno spodbuja rast zrn AlN, ki jo spremlja aglomeracija, ki jo povzroči sintranje med delci. Ta razlika izvira iz povečanja molekularnega toka N2 na enoto volumna, kar poveča učinkovitost difuzije in prenosa mase reaktantov v plinski fazi na reakcijski meji. Vidimo lahko, da reakcijska temperatura zgorevanja ni le ključni parameter za vzdrževanje načina zgorevanja z infiltracijo Al-N2, ampak tudi neposredno uravnava porazdelitev velikosti delcev in stanje aglomeracije delcev končnega praškastega izdelka AlN.
Dodatki za zgorevanje
Razvoj trifazne porazdelitve prahu Al, ki je povzročen pod prehodnim toplotnim udarom zgorevalnega vala, vključno s kolapsom trdnega skeleta pri taljenju, blokiranjem infiltracijskega toka N2 z vmesnikom med trdno in tekočino in nestabilnostjo zgorevalnega vala, ki jo povzročajo reakcije v plinski fazi, skupaj določa obnašanje nukleacije/rasti zrn AlN. Zaradi te stroge omejitve je dodajanje aditivov v sledovih in situ ena od ključnih poti za uravnavanje trifazne porazdelitve Al.
Amonijevi halogenidi, kot najpogosteje uporabljeni dodatki v zgorevalnem sistemu Al–N2, naj bi na splošno zmanjšali temperaturo zgorevanja in hitrost širjenja z endotermno razgradnjo, medtem ko lahko plini, ki nastanejo pri razgradnji, tvorijo prehodne mikrokanale in spodbujajo infiltracijo N2. Čeprav univerzalni mehanizem za nadzor morfologije še ni bil vzpostavljen na področju sinteze zgorevanja AlN, so aditivi še vedno splošno priznani kot metoda za uravnavanje reakcijske poti zgorevanja, ki združuje enostavnost delovanja in inženirsko prilagodljivost.