特陶之家tetaohome概要：氮化铝，共价键化合物，化学式为AIN，是原子晶体，属类金刚石氮化物、六方晶系，纤锌矿型的晶体结构，无毒，呈白色或灰白色。
知识点名称：氮化铝
关键词：氮化铝,
相关概念和介绍：
氮化铝是一种综合性能优良的陶瓷材料，对其研究可以追溯到一百多年前，它是由F.Birgeler和A.Geuhter在1862年发现的，并于1877年由J.W.MalletS首次合成了氮化铝。氮化铝(AlN)是一种六方纤锌矿结构的共价键化合物，晶格参数为a=3.114，c=4.986。纯氮化铝呈蓝白色，通常为灰色或灰白色，是典型的III-Ⅴ族宽禁带半导体材料。
在氮化铝一系列重要的性质中，最为显著的是高的热导率。关于氮化铝的导热机理，国内外已做了大量的研究，并已形成了较为完善的理论体系。主要机理为：通过点阵或晶格振动，即借助晶格波或热波进行热的传递。量子力学的研究结果告诉我们，晶格波可以作为一种粒子——声子的运动来处理。热波同样具有波粒二象性。载热声子通过结构基元(原子、离子或分子)间进行相互制约、相互协调的振动来实现热的传递。如果晶体为具有完全理想结构的非弹性体，则热可以自由的由晶体的热端不受任何干扰和散射向冷端传递，热导率可以达到很高的数值。其热导率主要由晶体缺陷和声子自身对声子散射控制。
理论上AlN热导率可达320W·m-1·K-1，但由于AlN中的杂质和缺陷造成实际产品的热导率还不到200W·m-1·K-1。这主要是由于晶体内的结构基元都不可能有完全严格的均匀分布，总是存在稀疏稠密的不同区域，所以载流声子在传播过程中，总会受到干扰和散射。
AlN最高可稳定到2200℃。室温强度高，且强度随温度的升高下降较慢。导热性好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料。抗熔融金属侵蚀的能力强，是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的坩埚材料。氮化铝还是电绝缘体，介电性能良好，用作电器元件也很有希望。砷化镓表面的氮化铝涂层，能保护它在退火时免受离子的注入。氮化铝还是由六方氮化硼转变为立方氮化硼的催化剂。室温下与水缓慢反应.可由铝粉在氨或氮气氛中800~1000℃合成，产物为白色到灰蓝色粉末。或由Al2O3-C-N2体系在1600~1750℃反应合成，产物为灰白色粉末。或氯化铝与氨经气相反应制得.涂层可由AlCl3-NH3体系通过气相沉积法合成。
氮化铝于1877年首次合成。至1980年代，因氮化铝是一种陶瓷绝缘体(聚晶体物料为 70-210 W‧m−1‧K−1，而单晶体更可高达 275 W‧m−1‧K−1 )，使氮化铝有较高的传热能力，至使氮化铝被大量应用于微电子学。与氧化铍不同的是氮化铝无毒。氮化铝用金属处理，能取代矾土及氧化铍用于大量电子仪器。氮化铝可通过氧化铝和碳的还原作用或直接氮化金属铝来制备。氮化铝是一种以共价键相连的物质，它有六角晶体结构，与硫化锌、纤维锌矿同形。此结构的空间组为P63mc。要以热压及焊接式才可制造出工业级的物料。物质在惰性的高温环境中非常稳定。在空气中，温度高于700℃时，物质表面会发生氧化作用。在室温下，物质表面仍能探测到5-10纳米厚的氧化物薄膜。直至1370℃，氧化物薄膜仍可保护物质。但当温度高于1370℃时，便会发生大量氧化作用。直至980℃，氮化铝在氢气及二氧化碳中仍相当稳定。矿物酸通过侵袭粒状物质的界限使它慢慢溶解，而强碱则通过侵袭粒状氮化铝使它溶解。物质在水中会慢慢水解。氮化铝可以抵抗大部分融解的盐的侵袭，包括氯化物及冰晶石〔即六氟铝酸钠〕。
氮化铝粉体的制备方法
氮化铝粉体的制备工艺主要有直接氮化法和碳热还原法，此外还有自蔓延合成法、高能球磨法、原位自反应合成法、等离子化学合成法及化学气相沉淀法等。
1、直接氮化法：直接氮化法就是在高温的氮气气氛中，铝粉直接与氮气化合生成氮化铝粉体，其化学反应式为2Al(s)+N2(g)→2AlN(s)，反应温度在800℃-1200℃。
2、碳热还原法：碳热还原法就是将混合均匀的Al2O3和C在N2气氛中加热，首先Al2O3被还原，所得产物Al再与N2反应生成AlN，其化学反应式为：Al2O3(s)+3C(s)+N2(g)→2AlN(s)+3CO(g)
3、高能球磨法：高能球磨法是指在氮气或氨气气氛下，利用球磨机的转动或振动，使硬质球对氧化铝或铝粉等原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，从而直接氮化生成氮化铝粉体的方法。
4、高温自蔓延合成法：高温自蔓延合成法是直接氮化法的衍生方法，它是将Al粉在高压氮气中点燃后，利用Al和N2反应产生的热量使反应自动维持，直到反应完全，其化学反应式为：2Al(s)+N2(g)→2AlN(s)
5、原位自反应合成法：原位自反应合成法的原理与直接氮化法的原理基本类同，以铝及其它金属形成的合金为原料，合金中其它金属先在高温下熔出，与氮气发生反应生成金属氮化物，继而金属Al取代氮化物的金属，生产AlN。
6、等离子化学合成法：等离子化学合成法是使用直流电弧等离子发生器或高频等离子发生器，将Al粉输送到等离子火焰区内，在火焰高温区内，粉末立即融化挥发，与氮离子迅速化合而成为AlN粉体。
7、化学气相沉淀法：它是在远高于理论反应温度，使反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压，导致其自动凝聚成晶核，而后聚集成颗粒。
特性
(1)热导率高(约320W/m·K)，接近BeO和SiC，是Al2O3的5倍以上；
(2)热膨胀系数(4.5×10-6℃)与Si(3.5~4×10-6℃)和GaAs(6×10-6℃)匹配；
(3)各种电性能(介电常数、介质损耗、体电阻率、介电强度)优良；
(4)机械性能好，抗折强度高于Al2O3和BeO陶瓷，可以常压烧结；
(5)纯度高；
(6)光传输特性好；
(7)无毒；
(8)可采用流延工艺制作。是一种很有前途的高功率集成电路基片和包装材料。
应用:
由于氮化铝压电效应的特性，氮化铝晶体的外延性伸展也用於表面声学波的探测器。而探测器则会放置於矽晶圆上。只有非常少的地方能可靠地制造这些细的薄膜。利用氮化铝陶瓷具有较高的室温和高温强度，膨胀系数小，导热性好的特性，可以用作高温结构件热交换器材料等。利用氮化铝陶瓷能耐铁、铝等金属和合金的溶蚀性能，可用作Al、Cu、Ag、Pb等金属熔炼的坩埚和浇铸模具材料。
氮化铝具备高电阻率，高热导率(为Al2O3的8-10倍)，与硅相近的低膨胀系数，是高温和高功率的电子器件的理想材料。可以应用于：电子封装基片材料；应用于发光材料；应用于衬底材料；应用于陶瓷及耐火材料；复合材料（如环氧树脂/AlN复合材料作为封装材料）等。
信息来源：
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