Нітрид алюмінію (AlN) має надзвичайно високу теоретичну теплопровідність (~320 Вт/(м·К)), чудову електричну ізоляцію, низькі діелектричні втрати та коефіцієнт теплового розширення, відповідний напівпровідниковим матеріалам. AlN продовжує розширювати межі продуктивності як ідеальний матеріал для-підкладок для пакування високопотужних мікросхем, основний функціональний наповнювач у теплопровідних мастилах і гелях або прецизійні керамічні компоненти, що працюють у суворих умовах. Однак порошок AlN дуже сприйнятливий до гідролізу, утворюючи кисневмісні-домішки (наприклад, -AlOOH, Al(OH)3, -Al₂O3), які значно знижують чистоту порошку та погіршують теплопровідність кінцевих продуктів. Більш критично те, що продукти гідролізу безпосередньо перешкоджають розробці та застосуванню процесів формування на основі води для кераміки AlN (наприклад, лиття стрічками, гель-лиття). Тому, оскільки сценарії застосування AlN розширюються-, особливо зростаюча потреба в контакті з середовищами з високою вологістю та водними системами-поліпшення антигідролізної стабільності порошку AlN стало основним технічним вузьким місцем для забезпечення надійної реалізації його видатних властивостей.
Механізм гідролізу нітриду алюмінію
Обмежене поточними виробничими процесами та чутливістю до навколишнього середовища, промислове виробництво високочистого порошку AlN залишається складним. По-перше, коли AlN контактує з водою, гідроксильні групи (–OH) з молекул води взаємодіють з азотом (N) і алюмінієм (Al) в AlN, порушуючи кристалічну структуру та утворюючи аморфні проміжні продукти (AlOOH) і NH3. Вивільнений NH₃ далі реагує з водою з утворенням іонів амонію (NH₄⁺) та гідроксид-іонів (OH⁻), а екзотермічна природа підвищує температуру та лужність системи (pH > 9), сприяючи подальшим реакціям. За певних температур і лужних умов аморфний AlOOH далі реагує з водою, утворюючи Al(OH)₃. Зрештою, AlN повністю гідролізується до Al(OH)3 та NH3.
Слід зазначити, що цей процес гідролізу не обмежується прямим контактом між порошком AlN і рідкою водою. Вплив повітря також може викликати гідроліз шляхом адсорбції атмосферної вологи. Крім того, дефекти на поверхні частинок AlN або наявність інших домішок значною мірою каталізують реакцію гідролізу. Тому для зменшення хімічної активності поверхні порошку по відношенню до води потрібна модифікація поверхні.
Технології антигідролізної модифікації нітриду алюмінію
Для вирішення проблеми гідролізу AlN існують дві основні стратегії модифікації: термічна обробка та модифікація поверхні. Модифікація поверхні далі поділяється на неорганічний та органічний підходи.
01 Термічна обробка
Цей метод включає високотемпературну обробку порошку AlN в певній атмосфері, контролюючи вміст кисню, температуру та час окислення для утворення щільної плівки Al₂O₃ на поверхні як фізичного бар'єру, тим самим покращуючи стійкість порошку до гідролізу до певної міри. Незважаючи на те, що цей метод простий і недорогий, його основний недолік полягає в тому, що неминуче введення фази Al₂O3 під час термічної обробки значно погіршує ключові властивості, такі як теплопровідність кінцевої кераміки AlN. Таким чином, він не вважається ідеальним шляхом проти гідролізу для високоякісного зберігання та застосування AlN.
02 Неорганічна модифікація поверхні
Неорганічна модифікація поверхні в основному використовує неорганічні кислоти, такі як H₂SiO₃ або H3PO₄ для захисту AlN, утворюючи на поверхні тонкий плівкоподібний шар, який пригнічує гідроліз у розчині. Як правило, розчинність утвореної плівки сильно впливає на поведінку гідролізу. Наприклад, силікат алюмінію має дуже низьку розчинність як у гарячій, так і в холодній воді, тоді як фосфат алюмінію має більшу розчинність у гарячій воді. Таким чином, при підвищених температурах антигідролізний ефект H₂SiO₃ є значно кращим, ніж ефект H₃PO₄. Крім того, ефективність цієї модифікації пов’язана з розміром частинок порошку AlN. Менші частинки мають вищу поверхневу активність і сильнішу адсорбційну здатність для неорганічних кислот, що призводить до більш вираженого антигідролізного ефекту. Для більших частинок ефект покриття менш ефективний, ніж для частинок малого розміру, тому кращими є менші розміри. Окрім промивання неорганічною кислотою, обробка розчином Al(H₂PO₄)3 дозволяє фосфат-аніонам утворювати принаймні моношар фосфату на поверхні частинок AlN, запобігаючи проникненню води. Таким чином, використання однієї високотемпературної обробки розчином Al(H₂PO₄)₃ або поєднання її з промиванням неорганічною кислотою також є ефективним підходом до модифікації проти гідролізу. Неорганічно модифікований поверхнево AlN демонструє гарну стійкість до гідролізу та низьку вартість, що робить його практичним і перспективним методом обробки.
03 Органічна модифікація поверхні
Для модифікації органічної поверхні зазвичай використовуються гідрофобні довголанцюгові органічні молекули для покриття поверхні порошку AlN або для проведення полімеризації на місці, таким чином запобігаючи контакту молекул води з поверхнею AlN і таким чином покращуючи стійкість до гідролізу. Цей підхід характеризується простотою обробки, коротким часом обробки та значними ефектами модифікації, а також певною мірою покращує здатність порошку AlN до диспергування в рідких суспензіях. Зазвичай використовувані органічні модифікатори включають органічні карбонові кислоти та стеаринову кислоту. Карбоксильні групи в таких органічних кислотах можуть взаємодіяти та реагувати з гідроксильними групами на поверхні AlN, покриваючи поверхню AlN довгим органічним ланцюгом, який утворює ефективний водонепроникний шар. Крім того, сполучні агенти-добавки, які покращують межфазні властивості між неорганічними та органічними матеріалами-містять як гідрофільні, так і гідрофобні групи. Гідрофобна група хімічно реагує з органічними матеріалами або має хорошу сумісність з ними, тоді як гідрофільна група може утворювати хімічні зв’язки з неорганічними матеріалами. При використанні в якості модифікаторів для AlN гідрофільна група зв’язується з поверхнею AlN, тоді як гідрофобна група виявляється на поверхні AlN, надаючи гідрофобність і, таким чином, запобігаючи прямому контакту між водою та поверхнею AlN, тим самим покращуючи стійкість до гідролізу. Однак, оскільки органічні матеріали зазвичай мають низьку термічну стабільність, ця методика має певні обмеження у застосуванні.