一种利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110104620 A(43)申请公布日 2019.08.09

(21)申请号 201910440513.7(22)申请日 2019.05.24

(71)申请人 安徽壹石通材料科技股份有限公司

地址 233400 安徽省蚌埠市怀远县经济开

发区金河路10号(72)发明人 蒋学鑫　杨杰　夏长荣　王礼鸿　

郭敬新　(74)专利代理机构 合肥中博知信知识产权代理

有限公司 34142

代理人 徐俊杰(51)Int.Cl.

C01B 21/072(2006.01)B82Y 40/00(2011.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图1页

()发明名称

一种利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法(57)摘要

本发明公开了一种利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，涉及纳米材料制备技术领域，采用铝溶胶作为铝源，有机高分子前驱体作为碳源，在胶凝剂和固化剂的存在下得到碳源和铝源均匀混合的干凝胶，并经热解、煅烧和除碳，得到灰白色的AlN粉体；本发明的氮化铝纳米粉备方法成本低、工艺操作简单，所制备的氮化铝的粒径分布在30～200nm，且分散性良好。

CN 110104620 ACN 110104620 A

权　利　要　求　书

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1.一种利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)采用铝溶胶作为铝源，有机高分子前驱体作为碳源；(2)将铝溶胶和合成有机高分子前驱体的原料混合均匀，并加胶凝剂调节所得混合物的pH值至1～2；

(3)搅拌上述混合物，得到碳源和铝源均匀混合的稳定溶胶，冷却至室温；(4)在室温下将固化剂加入到溶胶中，搅拌形成水溶胶，转移至烘箱中干燥，得到碳源和铝源均匀混合的干凝胶；

(5)将干凝胶研磨粉碎，在非氧化性气氛下进行热解，得到氧化铝和无定型碳均匀混合的前驱体粉末；

(6)将前驱体粉末在流动气氛下进行煅烧，反应得到黑色粉体；(7)将黑色粉体在空气气氛下进行除碳，得到灰白色的AlN粉体。

2.根据权利要求1所述的利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的铝溶胶选自α-Al(OH)3溶胶、β-Al(OH)3溶胶、AlOOH溶胶的一种或者几种。

3.根据权利要求1所述的利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的有机高分子前驱体选自酚醛树脂、脲醛树脂、密胺树脂、聚乙烯醇中的一种或者几种。

4.根据权利要求1所述的利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的胶凝剂选自、盐酸、醋酸或氨水。

5.根据权利要求1所述的利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的固化剂选自六亚甲基四胺、多聚醛中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的烘箱干燥温度为80～120℃。

7.根据权利要求1所述的利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的非氧化性气氛选自N2、Ar、N2-H2混合气体中的一种。

8.根据权利要求1所述的利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，其特征在于：所述步骤(6)中的流动气氛选自NH3、N2中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的热解温度为600～800℃；步骤(6)中的煅烧温度为1200～1600℃；步骤(7)中的除碳温度为600～800℃。

10.根据权利要求1所述的利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，其特征在于：所述步骤(7)中的AlN粉体粒径在30～200nm之间。

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说　明　书

一种利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法

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技术领域：

[0001]本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体涉及一种利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法。

背景技术：

[0002]氮化铝陶瓷具有较高的热导率、较低的介电常数和介电损耗、结缘性能优异、耐高温、耐化学腐蚀、无毒、能与硅良好匹配的热膨胀系数等一系列优异性能；广泛应用在电子器件领域。纳米AlN粉体粒度较小，反应活性高，可以降低致密化烧结温度，有利于实现低温烧结，降低陶瓷烧结成本。氮化铝陶瓷的成型及烧结工艺不仅与AlN粉体的粒径有关，并且也受其形貌以及粒度分布的影响。因此，要制备性能良好的氮化铝陶瓷，需要首先合成高纯度，细粒度，分散性良好的氮化铝粉体。

[0003]纳米级氮化铝材料具有更多优异的性能，例如：纳米氮化铝的烧结材料具有更高的热导率，能应用于高能耗器件；超细高纯度的纳米氮化铝粉经过特殊工艺烧结后可得到透明氮化铝陶瓷，用于制备特殊光学器件。[0004]纳米氮化铝的制备方法有多种，专利CN103072961A报道了一种纳米氮化铝的制备方法，将铝原料加热熔融，使其转变成液态，向高温金属蒸发器连续不断加料，使得液态铝转变成铝蒸气，经过粒子形成器进入氮化反应室，再向氮化反应室内通入氮化反应气体，氮化气体与纳米小液滴状的铝反应生成纳米氮化铝粉体。该方法涉及铝单质的液化、气化、输送、气态的铝液化成业态小液滴，过程复杂。

[0005]专利CN103539088A公开一种纳米氮化铝的制备方法，将铝和三聚氰胺用作原料，采用溶胶-凝胶的制备工艺制备铝源和碳源混合的前驱体，然后将前驱体在高温下进行碳热还原制备AlN，该专利采用的三聚氰胺在340℃左右开始分解，但碳热还原反应在高温下进行，三聚氰胺作为碳源利用率较低，并且三聚氰胺分解生成剧毒氰化物。[0006]专利CN101973534A公开了一种低温燃烧制备纳米氮化铝的方法，采用铝作为铝源和氧化剂，尿素作为还原剂和燃烧剂，与水溶性的碳源按照一定的比例混合，然后在高温下进行碳热还原反应制备氮化铝。该方法采用尿素作为燃烧剂，反应过程较为复杂，燃烧温度难以控制，造成氮化铝粒径分布较宽，并且生成的氮化铝多为片状形貌。发明内容：

[0007]本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，该方法成本低、工艺操作简单，所制备的氮化铝的粒径分布在30～200nm，且分散性良好。

[0008]本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：[0009]一种利用溶胶-凝胶法制备氮化铝纳米粉体的方法，包括以下步骤：[0010](1)采用铝溶胶作为铝源，有机高分子前驱体作为碳源；[0011](2)将铝溶胶和合成有机高分子前驱体的原料混合均匀，并加胶凝剂调节所得混

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合物的pH值至1～2；[0012](3)搅拌上述混合物，得到碳源和铝源均匀混合的稳定溶胶，冷却至室温；[0013](4)在室温下将固化剂加入到溶胶中，搅拌形成水溶胶，转移至烘箱中干燥，得到碳源和铝源均匀混合的干凝胶；[0014](5)将干凝胶研磨粉碎，在非氧化性气氛下进行热解，得到氧化铝和无定型碳均匀混合的前驱体粉末；[0015](6)将前驱体粉末在流动气氛下进行煅烧，反应得到黑色粉体；[0016](7)将黑色粉体在空气气氛下进行除碳，得到灰白色的AlN粉体。[0017]所述步骤(1)中的铝溶胶选自α-Al(OH)3溶胶、β-Al(OH)3溶胶、AlOOH溶胶的一种或者几种。

[0018]所述步骤(1)中的有机高分子前驱体选自酚醛树脂、脲醛树脂、密胺树脂、聚乙烯醇中的一种或者几种。

[0019]所述步骤(2)中的胶凝剂选自、盐酸、醋酸或氨水。[0020]所述步骤(4)中的固化剂选自六亚甲基四胺、多聚醛中的一种或几种。[0021]所述步骤(4)中的烘箱干燥温度为80～120℃。[0022]所述步骤(5)中的非氧化性气氛选自N2、Ar、N2-H2混合气体中的一种。[0023]所述步骤(6)中的流动气氛选自NH3、N2中的至少一种。[0024]所述步骤(5)中的热解温度为600～800℃；步骤(6)中的煅烧温度为1200～1600℃；步骤(7)中的除碳温度为600～800℃。

[0025]所述步骤(7)中的AlN粉体粒径在30～200nm之间。[0026]本发明的制备原理：[0027]Al2O3+3C+N2＝2AlN+3CO[0028]本发明的有益效果是：[0029](1)本发明将铝溶胶和合成有机高分子前驱体的原料进行混合，通过这些原料的聚合形成有机高分子，使得碳源和铝源混合均匀，避免现有技术直接添加聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等水溶性高分子作为碳源存在的溶于水后所形成溶液的粘度急剧上升从而导致铝源和碳源混合不均匀的问题；并且本发明选取的酚醛树脂、脲醛树脂、密胺树脂本身并不溶于水，无法在以水作为溶剂的条件下直接添加这些树脂作为碳源，否则会导致碳源和铝源混合的不均匀，最终会使得氮化反应不完全。[0030](2)本发明采用的是凝胶-溶胶的方法，溶胶-凝胶的好处就在于使得原料混合地更加均匀，所添加的胶凝剂作用就在于使得形成的胶乳转变成稳定且均匀的凝胶，并保持原有形状，pH值的控制是能否合成树脂的必要条件；同时本发明采用的碳源属于树脂类，树脂类高分子采用的是两种单体作为原料经逐步聚合的方式聚合，固化剂的作用就是将高分子链之间形成交联，形成网状的高分子材料，使得铝源均匀地固定在树脂网状结构中(采用逐步聚合的方式使得单体聚合有一个缺点就是形成的聚合物的分子量可能较小，在高温下成碳过程中可能以小分子的形式挥发掉，成碳的产率很低，而加入固化剂就使得高分子链之间形成网状结构，在成碳过程中增加碳的产率)。[0031](3)本发明采用碳热还原法制备氮化铝，为了使得反应完全并且反应速度加快，所加入的碳源的量是过量的，最后进行除碳处理。

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附图说明：

[0032]图1为实施例1所制氮化铝纳米粉体的XRD图；[0033]图2为实施例1所制氮化铝纳米粉体的SEM图。

具体实施方式：

[0034]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。[0035]实施例1

[0036]称取质量分数5％的AlOOH溶胶100g，将0.1mol苯酚与0.085mol甲醛混合均匀后转移到AlOOH溶胶中，升温至80℃，用2mol/L的盐酸调节pH至1～2，磁力搅拌12h，得到铝源和酚醛树脂混合均匀的凝胶；冷却至室温向其中加入0.01mol的六亚甲基四胺，搅拌30min，转移至120℃的烘箱中干燥12h，得到铝源和碳源均匀混合的干凝胶；干凝胶在N2气氛下于600℃保温2h成碳，然后在1500℃，流动N2气氛下煅烧12h，煅烧产物在700℃下空气氛围中除碳2h。[0037]制得的氮化铝粉体的粒径在30～120nm之间且分散性良好。[0038]实施例2

[0039]称取质量分数25％的Al(OH)3溶胶20g，将0.1mol的苯酚与0.085mol甲醛混合均匀后转移到Al(OH)3溶胶，升温至85℃，用2mol/L的调节pH至1～2，磁力搅拌12h，得到铝源和酚醛树脂混合均匀的凝胶；冷却至室温向其中加入0.01mol的六亚甲基四胺，搅拌30min，转移至100℃的烘箱中干燥12h，得到铝源和碳源均匀混合的干凝胶；干凝胶在N2气氛下于600℃保温2h成碳，然后在1600℃，流动N2气氛下煅烧6h，煅烧产物在700℃下空气氛围中除碳2h。[0040]制得的氮化铝粉体的粒径在50～200nm之间且分散良好。

[0041]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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说　明　书　附　图

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图1

图2

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