Нитрид алюминия- бинарное неорганическое химическое соединениеалюминия с азотом. Химическая формула — AlN.

Нитрид алюминия- бинарное неорганическое химическое соединениеалюминия с азотом. Химическая формула — AlN.

Физические свойства

Белый порошок или водянисто-белые прозрачные кристаллы с гексагональной решеткой. Медленно растворяется в горячих минеральных кислотах. Это соединение характеризуется высокой электрич. проводимостью и ее положительным температурным коэф., высокими т-рами плавления, твердостью, высокой энтальпией образования.

Температура кипения	2517 °C
Удельная теплоёмкость	740 Дж/(кг·К)
Теплопроводность	285 Вт/(м·K
Температура плавления	2200 °C

Компактные изделия из порошков нитридов алюминия получают спеканием предварительно спрессованных порошков, горячим прессованием, реакц. спеканием. Спекание заготовок, спрессованных из порошков нитрида алюминия, может осуществляться в среде N₂, азотсодержащих восстановит. газов или в вакууме. Горячим прессованием получают изделия с меньшей остаточной пористостью, чем при спекании.

Часто керамику из AlN получают методом реакционного спекания. Вэтом случае прессовки из чистого порошка металлического алюминияподвергаются спеканию в азоте. По этому способу изделия не достигаютбольшой плотности, она составляет не более 0,5–0,6 от теоретической.Высокоплотную керамику из AlN получают горячим прессованием притемпературе 2000–2100°С и давлении 30МПа.

Механич свойства

Мех. св-ва нитридов алюминия зависят от прочности хим. связи, степени ее ковалентности, а также от структуры (величины зерен, состояния границ зерен, степени дефектности кристаллич. решетки). Нитрид алюминия очень твердое и хрупкое соединение, его пластич. деформация возможна только при высоких т-рах и напряжениях. При температуре 1600–1700°С в отсутствие давления азота AlN разлагается.

Твердость по Моосу 9,

микротвердость 12 ГПа,

модуль упругости 350 ГПа (300 К), 280 ГПа (1673 К).

Молярная масса	40,9882 г/моль
Плотность	3,260 г/см³

Керамика из чистого нитрида алюминия имеет невысокий уровеньмеханических характеристик: σизг не выше 350МПа и находит примене-ние в качестве огнеупорного материала, стойкого в расплавах никеля имеди. Перспективным является использование чистого AlN в опто-электронной технике для изготовления фоторезисторов.

Электрические свойства

Нитрид алюминия обладает высоким электрическим сопротивлением,

является весьма полезным материалом для использования

его при высоких температурах. Он слабо подвержен окислению на воздухе при

температурах выше 6000С, а также устойчив к воздействию кислот,

расплавленных металлов и водяных паров. Таким образом, AlN может

применяться в высокотемпературных полупроводниковых устройствах.

Химические свойства

Материал устойчив к очень высоким температурам в инертных атмосферах. На воздухе поверхностное окисление происходит выше 700 °C, и при комнатной температуре были обнаружены поверхностные окисленные слои толщиной 5—10 нм. Этот окисный слой защищает материал до 1370 °C. Выше этой температуры происходит объёмное окисление материала. Нитрид алюминия устойчив в атмосферахводорода и углекислого газа до 980 °C. Материал распадается медленно в неорганических кислотах при контакте жидкости с границами зёрен, как и в случае с сильными щелочами. Материал гидролизуется медленно в воде.

Способы получения

Получается восстановлением Аl₂О₃ углем в атмосфере азота:

Также нитрид алюминия можно получить с помощью азотирования алюминиевой пудры:

Пропустив через алюминий аммиак, получим водород и, в виде осадка, нитрид алюминия:

Изделия из A1N получают главным образом горячим прессованием порошка при 2000-2100°С и 30 МПа.

Применяют его (иногда в смеси с BN или SiC) в кач-ве огнеупорного материала для футеровок ванн, электролизеров, муфельных печей. тиглей и др., чехлов для термопар, для нанесения коррозионностойких и износостойких покрытий на сталь, графит и др.

§ Производство светодиодов (полупроводник с шириной запрещённой зоны 6 эВ);

§ Материалы из нановолокна;

§ Материал для высокотеплопроводной керамики (вместо оксида бериллия) — подложки, корпуса электронных схем.

Методы металлизации позволяют находить применение в электронике данному веществу вместоглинозёма и оксида бериллия.

Нитриды используют для футеровки, изготовления огнеупорных тиглей, муфелей, чехлов термопар, крепления транзисторов, цоколей электронных ламп, устройств ядерной техники, высокотемпературной смазки, в произ-ве твердосплавного и абразивного инструмента и др. Металлоподобные нитриды переходных металлов - компоненты твердых сплавов, их используют при произ-ве огнеупорных тиглей, лодочек для испарения Аl, в качестве износостойких покрытий на твердосплавном режущем инструменте, для поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов. Нитриды входят в состав жаропрочных и жаростойких композиц. материалов, в т.ч. керметов.

Технологии производства

В настоящее время существует четыре основных метода промышленного производства нитрида алюминия, которые позволяют получать порошки A1N пригодные для спекания. Наиболее распространенным является прямое азотирование смеси порошка алюминия и нитрида алюминия в протоке азота.

Синтез осуществляется ступенчато, в течение нескольких часов с постоянным увеличением температуры до 1573К. Образующийся нитрид алюминия частично спекается с образованием агломератов. Вокруг не прореагировавших частиц алюминия образуется пленка A1N, которая затрудняет дальнейшее азотирование. Поэтому, чтобы получить качественный, хорошо спекаемый продукт используют промежуточное измельчение, чтобы разрушить агломераты A1N, с последующим повторным циклом азотирования. После окончательной тепловой обработки нитрид алюминия измельчают и классифицируют.

Основные примеси углерод, кремний и железо вносятся с исходным алюминием и при измельчении. Конечный продукт загрязнен углеродом. Для удаления избытка углерода производится дополнительная тепловая обработка на воздухе при 1073К. Карботермический метод позволяет получить хорошо спекаемый порошок нитрида алюминия с размером частиц менее 400нм.

Плазмохимический метод также является эффективным способом получения порошка нитрида алюминия. В этом процессе испаренный при температуре около 6000 - 10000К алюминий взаимодействует с азотом, аммиаком или смесью этих газов с образованием субмикронных частиц A1N и удельной поверхностью до 30м2/гр. Основная примесь кислород, содержание которого пропорционально удельной поверхности и может достигать 11%масс.

Газофазный метод основан на разложении азот содержащих летучих соединений алюминия, например AlCb-NH3, А1(СНз)з->Шз, А1(С2Н5)з-гШз при давлениях 1 - 2кПа и температурах 1073К - 1473К. В результате получается очень тонкий порошок нитрида алюминия со средним размером частиц 30 нанометров и удельной поверхностью до 50м2/гр. Именно на таких порошках A1N были получены образцы керамики с рекордной теплопроводностью, до 250-260Вт/м-К. Но этот метод малопроизводителен и крайне дорог, а получаемый таким способом порошок нитрида алюминия обладает очень высокой химической активностью, что усложняет работу с ним. Поэтому пока не удается осуществить массовое производство алюмонитридной керамики с таким высоким коэффициентом теплопроводности.

был разработан и испытан новоый, быстрый способ производства порошка нитрида алюминия основанный на прямом азотировании алюминия. В этом процессе распыленный алюминий и азот нагревались и быстро взаимодействовали с образованием нитрида алюминия когда проходили через проточный реактор. Реактор представляет собой графитовую трубу, которая разделена на зону синтеза и зону охлаждения. Выделяющееся тепло отводилось через стенку реактора. Синтезированный и охлажденный A1N направлялся на измельчение, затем подвергался дополнительной тепловой обработке в атмосфере азота. Последней стадией производства являлась воздушная классификация, для того чтобы удалить крупные частицы A1N и получить хорошо спекаемый порошок нитрида алюминия.

Обрабатываемость AlN

При обработке AlN образуется сливная стружка сравнительно толстая, прочная и с трудом разрушающаяся. Фактическая форма стружки в значительной степени изменяется, но она может опутывать инструмент, что вызывает остановки при работе для уборки стружки.

В сверлах, метчиках и многих типах фрез стружка может привести к засорению канавок или пространства между зубьями, что часто вызывает необходимость изменения конструкции инструмента для обработки алюминия. Режущая способность инструмента улучшается путем изменения переднего угла или при применении стружколомателей или стружкозавивателей.

Другим методом является модификация состава металла для получения элементной или более легко разламывающейся стружки.

AlN в общем также высоко оценивается по обрабатываемости. Х орошая стойкость инструмента может быть получена при обработке большинства алюминиевых сплавов инструментами, как из быстрорежущей стали, так и твердого сплава.

Основные трудности при обработке деформируемых алюминиевых сплавов связаны с образованием сливной стружки, ухудшающей обработанную поверхность. Для решения этой проблемы в алюминиевые сплавы добавляют свинец; свинец и висмут; олово и сурьму (в количестве до 0,5%). Эти металлы имеют низкую температуру плавления, не переходят в твердый раствор и присутствуют в структуре сплавов как мелкие сферические частицы. Применение этих добавок приводит к тому, что стружка легче разламывается на мелкие сегменты и удаляется из зоны резания.

Для успешного резания алюминиевых сплавов требуются инструменты с большими передними углами и с ровными, тщательно доведенными режущими кромками (γ = 40…50° для инструмента из быстрорежущей стали и γ = 20…30° для твердосплавного; угол α = 6…10°). В этом случае можно избежать нароста, образующегося при обра­ботке некоторых алюминиевых сплавов. Этот нарост имеет особо развитую форму при резании алюминиевых сплавов инструментом из режущей керамики, что объясняется химическим сродством материалов и потому большим трением между инструментом и обрабатываемым сплавом. По этой причине применение режущей керамики не рекомендуется.

Нитридная керамика является высокоперспективным материалом для применения в различных областях от производства машин и инструмента до микроэлектроники. Нитридная керамика характеризуется стабильностью диэлектрических свойств, высокой механической прочностью, термостойкостью, химической стойкостью в различных средах.

Учитывая высокие теплофизические и элек трофизические характеристики керамики из нитрида алюминия, возможности сохранения ее работоспособности в широком

диапазоне температур, намечены следующие направления ее использования в космическом приборостроении в качестве:

• корпусов и подложек мощных монолитных интегральных

схем усилителей мощности;

• коммутационных микрополосковых плат мощных полупроводниковых структур, устанавливаемых методом обратного монтажа;

• подложек мощных согласованных нагрузок и поглотителей мощности;

• теплопроводов устройств охлаждения приемных систем

повышенной чувствительности;

• теплопроводящих изоляторов нагревателей активных термостатов приборных узлов;

• изолирующих прокладок в системах отвода тепла конструкционных узлов;

• составляющих теплопроводящих клеев и смазок;

• подложек термоэлектрических преобразователей на основе элементов Пельтье в системе охлаждения до температуры 160 К;

• элементов систем передачи тепла и нагрева (на криогенном уровне около 70 К);

• элементов систем с применением микрохолодильных машин для компенсации механических вибраций;

Дата добавления: 2015-08-27