Hiter razvoj tehnologij, kot so umetna inteligenca, komunikacije 5G in nova energetska vozila, je vodil do nenehnega povečevanja gostote moči in stopenj integracije v elektronskih napravah, zaradi česar je "odvajanje toplote" ključni dejavnik, ki omejuje delovanje naprave. V primerjavi s tradicionalnimi materiali, kot so Al₂O₃, BeO in SiC, je AlN (aluminijev nitrid) s svojo odlično toplotno prevodnostjo, visoko mehansko trdnostjo, dobrim ujemanjem toplotnega raztezanja, kemično stabilnostjo, ne-toksičnostjo, nizko dielektrično konstanto in visoko električno upornostjo postal kritičen material za elektronsko embalažo in toplotno upravljanje. Vendar je prah AlN v praktičnih aplikacijah nagnjen k hidrolizi. Ko je izpostavljena vlažnemu zraku, pride na njeni površini do ireverzibilne reakcije z vodo, pri čemer nastanejo aluminijev hidroksid [Al(OH)3], AlOOH in drugi produkti. To vodi do prostih mest dušika, povečane poroznosti in vsebnosti kisika v naknadno sintrani keramiki AlN, znatnega padca toplotne prevodnosti in celo sproščanja plina amoniaka med uporabo, kar lahko vpliva na okoliške komponente (npr. zastrupitev platinskih katalizatorjev). Zato je iskanje ustreznih anti-hidroliznih metod ključnega pomena za razvoj AlN.
Obnašanje aluminijevega nitrida pri hidrolizi
Hidrolizno obnašanje AlN lahko v grobem razdelimo na tri značilne stopnje:
(1) Indukcijsko obdobje: Prej -obstoječa amorfna hidroksidna spojina (AHC) na površini AlN se počasi raztopi, pH pa ostane v veliki meri stabilen (traja 17–180 minut pri sobni temperaturi; indukcijsko obdobje izgine pri 90 stopinjah).
(2) Obdobje hitre reakcije: Ko se AHC raztopi, je površina AlN izpostavljena in podvržena hitri hidrolizi, da nastane amorfni AlOOH, ki se nato spremeni v kristalni boemit (AlOOH). pH močno naraste na 9–10.
(3) Obdobje stabilizacije izdelka: Pri nizkih temperaturah (22–50 stopinj) se boemit nadalje raztopi in rekristalizira v bajerit (-Al(OH)₃). Pri visokih temperaturah (80–90 stopinj) boemit ostane stabilen in bajerit se ne tvori.
Ključni dejavniki, ki vplivajo na proces hidrolize
1. Okoljski dejavniki: Okoljski medij je ključni dejavnik, ki določa trajanje vsake stopnje in naravo produktov hidrolize.
(1) Temperatura: Fukumoto et al. ugotovili, da ko je temperatura pod 77,85 stopinj, je končni produkt hidrolize Al(OH)3; nad 77,85 stopinj, glavni proizvod je AlOOH. Močne kisline (npr. HCl) ali močne baze (npr. NaOH) pospešijo hidrolizo, medtem ko lahko zmerno močne kisline (npr. H₃PO₄) zavrejo hidrolizo s tvorbo zaščitne fosfatne plasti.
(2) pH: Kocjan je ugotovil, da začetni pH ne spremeni celotne hitrosti hidrolize, toda pri pH=10 je indukcijska doba odpravljena (amorfni AHC ne more stabilno obstajati v alkalnih pogojih). V kislih okoljih s pH=1–3 se lahko ioni H⁺ združijo z OH⁻ na površini AlN, kar upočasni hidrolizo.
(3) Atmosfera: Hou et al. proučevali visoko{2}}temperaturna okolja (1000–1150 stopinj ) in ugotovili, da ker H₂O pospešuje difuzijo H⁺ navznoter, je nagnjenost k hidrolizi/oksidaciji AlN najvišja v atmosferi Ar–20 vol % H2O, s povečanjem mase za 21,1 % po 15 urah. V atmosferi z zrakom in 20 vol. % H₂O tekmuje O₂ s H₂O, kar ima za posledico samo 12,0-odstotno povečanje mase, kar kaže, da kisik zavira visoko{11}}temperaturno hidrolizo.
2. Velikost delcev: Študije so pokazale, da je stopnja hidrolize AlN v nano-velikosti 5–10-krat hitrejša kot pri submikronskem-AlN. Hidroliza se začne pri površinskih napakah, kot so stopnice, kar kaže na pomemben vpliv velikosti delcev in morfologije površine na kinetiko hidrolize.
3. Preparation process: Currently, the industrial production of AlN powder is dominated by carbothermal reduction and direct nitridation methods. Li et al. found that AlN prepared by carbothermal reduction has a stable γ-Al₂O₃ layer on its surface, resulting in the longest induction period (>24 h), medtem ko je indukcijska doba za AlN, pripravljen z direktnim nitriranjem, le 6 h.