Το νιτρίδιο του αλουμινίου (AlN) διαθέτει εξαιρετικά υψηλή θεωρητική θερμική αγωγιμότητα (~320 W/(m·K)), εξαιρετική ηλεκτρική μόνωση, χαμηλή διηλεκτρική απώλεια και συντελεστή θερμικής διαστολής που ταιριάζουν με υλικά ημιαγωγών. Είτε ως ιδανικό υλικό για-υποστρώματα συσκευασίας τσιπ υψηλής ισχύος, ως λειτουργικό πληρωτικό πυρήνα σε θερμικά αγώγιμα γράσα και τζελ ή κεραμικά εξαρτήματα ακριβείας που λειτουργούν σε σκληρά περιβάλλοντα, το AlN συνεχίζει να ωθεί τα όρια απόδοσης. Ωστόσο, η σκόνη AlN είναι πολύ ευαίσθητη στην υδρόλυση, παράγοντας οξυγόνο-που περιέχει ακαθαρσίες (π.χ. -AlOOH, Al(OH)3, -Al2O3), οι οποίες μειώνουν σημαντικά την καθαρότητα της σκόνης και υποβαθμίζουν τη θερμική αγωγιμότητα των τελικών προϊόντων. Πιο κρίσιμα, τα προϊόντα υδρόλυσης εμποδίζουν άμεσα την ανάπτυξη και την εφαρμογή διαδικασιών μορφοποίησης με βάση το νερό για κεραμικά AlN (π.χ. χύτευση ταινίας, χύτευση με gel). Ως εκ τούτου, καθώς τα σενάρια εφαρμογής του AlN επεκτείνονται-ιδιαίτερα η αυξανόμενη ανάγκη για επαφή με περιβάλλοντα υψηλής υγρασίας και υδατικά συστήματα{14}}η βελτίωση της σταθερότητας κατά της υδρόλυσης της σκόνης AlN έχει γίνει βασικό τεχνικό πρόβλημα για την εξασφάλιση αξιόπιστης υλοποίησης των εξαιρετικών ιδιοτήτων του.
Μηχανισμός Υδρόλυσης Νιτριδίου Αλουμινίου
Περιορισμένη από τις τρέχουσες διαδικασίες παραγωγής και την περιβαλλοντική ευαισθησία, η βιομηχανική παραγωγή σκόνης AlN υψηλής καθαρότητας παραμένει πρόκληση. Πρώτον, όταν το AlN έρχεται σε επαφή με το νερό, οι ομάδες υδροξυλίου (–ΟΗ) από μόρια νερού αλληλεπιδρούν με το άζωτο (N) και το αλουμίνιο (Al) στο AlN, διαταράσσοντας την κρυσταλλική δομή και σχηματίζοντας άμορφα ενδιάμεσα προϊόντα (AlOOH) και NH3. Το απελευθερωμένο ΝΗ3 αντιδρά περαιτέρω με το νερό για να σχηματίσει ιόντα αμμωνίου (NH4+) και υδροξειδίου (ΟΗ-), και η εξώθερμη φύση αυξάνει τη θερμοκρασία και την αλκαλικότητα του συστήματος (ρΗ > 9), διευκολύνοντας τις επόμενες αντιδράσεις. Κάτω από ορισμένες θερμοκρασίες και αλκαλικές συνθήκες, το άμορφο AlOOH αντιδρά περαιτέρω με το νερό για να παράγει Al(OH)3. Τελικά, το AlN υδρολύεται πλήρως σε Al(OH)3 και NH3.
Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτή η διαδικασία υδρόλυσης δεν περιορίζεται στην άμεση επαφή μεταξύ σκόνης AlN και υγρού νερού. Η έκθεση στον αέρα μπορεί επίσης να προκαλέσει υδρόλυση απορροφώντας την ατμοσφαιρική υγρασία. Επιπλέον, ελαττώματα στην επιφάνεια του σωματιδίου AlN ή η παρουσία άλλων ακαθαρσιών καταλύουν σημαντικά την αντίδραση υδρόλυσης. Επομένως, απαιτείται τροποποίηση της επιφάνειας για τη μείωση της χημικής δραστηριότητας της επιφάνειας της σκόνης προς το νερό.
Τεχνολογίες τροποποίησης κατά της υδρόλυσης για το νιτρίδιο του αργιλίου
Για την αντιμετώπιση του ζητήματος της υδρόλυσης του AlN, υπάρχουν δύο κύριες στρατηγικές τροποποίησης: η θερμική επεξεργασία και η τροποποίηση της επιφάνειας. Η τροποποίηση της επιφάνειας χωρίζεται περαιτέρω σε ανόργανες και οργανικές προσεγγίσεις.
01 Θερμική επεξεργασία
Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας σκόνης AlN κάτω από συγκεκριμένη ατμόσφαιρα, έλεγχο της περιεκτικότητας σε οξυγόνο, της θερμοκρασίας και του χρόνου οξείδωσης για να σχηματιστεί ένα πυκνό φιλμ Al2O3 στην επιφάνεια ως φυσικό φράγμα, βελτιώνοντας έτσι την αντίσταση της σκόνης στην υδρόλυση σε κάποιο βαθμό. Αν και αυτή η μέθοδος είναι απλή και χαμηλού κόστους, το βασικό της μειονέκτημα είναι ότι η αναπόφευκτη εισαγωγή της φάσης Al2O3 κατά τη διάρκεια της θερμικής επεξεργασίας υποβαθμίζει σημαντικά τις βασικές ιδιότητες όπως η θερμική αγωγιμότητα των τελικών κεραμικών AlN. Επομένως, δεν θεωρείται ιδανική οδός κατά της υδρόλυσης για αποθήκευση και εφαρμογή AlN υψηλής ποιότητας.
02 Ανόργανη Τροποποίηση Επιφανείας
Η τροποποίηση της ανόργανης επιφάνειας χρησιμοποιεί κυρίως ανόργανα οξέα όπως H2SiO3 ή H3PO4 για την προστασία του AlN, σχηματίζοντας ένα λεπτό στρώμα που μοιάζει με φιλμ στην επιφάνεια που καταστέλλει την υδρόλυση στο διάλυμα. Γενικά, η διαλυτότητα του σχηματιζόμενου φιλμ επηρεάζει πολύ τη συμπεριφορά υδρόλυσης. Για παράδειγμα, το πυριτικό αλουμίνιο έχει πολύ χαμηλή διαλυτότητα τόσο σε ζεστό όσο και σε κρύο νερό, ενώ το φωσφορικό αλουμίνιο έχει μεγαλύτερη διαλυτότητα στο ζεστό νερό. Επομένως, σε υψηλές θερμοκρασίες, το αποτέλεσμα κατά της υδρόλυσης του H2SiO3 είναι σημαντικά καλύτερο από αυτό του H3PO4. Επιπλέον, η αποτελεσματικότητα αυτής της τροποποίησης σχετίζεται με το μέγεθος σωματιδίων της σκόνης AlN. Τα μικρότερα σωματίδια έχουν υψηλότερη επιφανειακή δραστηριότητα και ισχυρότερη ικανότητα προσρόφησης για ανόργανα οξέα, οδηγώντας σε πιο έντονο αποτέλεσμα κατά της υδρόλυσης. Για μεγαλύτερα σωματίδια, το αποτέλεσμα επίστρωσης είναι λιγότερο αποτελεσματικό από ό,τι για τα μικρού μεγέθους, επομένως προτιμώνται μικρότερα μεγέθη. Εκτός από την έκπλυση με ανόργανο οξύ, η επεξεργασία με διάλυμα Al(H2PO4)3 επιτρέπει στα φωσφορικά ανιόντα να σχηματίσουν τουλάχιστον μια μονοστιβάδα φωσφορικού στην επιφάνεια των σωματιδίων AlN, αποτρέποντας την είσοδο νερού. Ως εκ τούτου, η χρήση μιας απλής επεξεργασίας διαλύματος Al(H2PO4)3 σε υψηλή θερμοκρασία ή ο συνδυασμός της με πλύση με ανόργανο οξύ, είναι επίσης μια αποτελεσματική προσέγγιση τροποποίησης κατά της υδρόλυσης. Το ανόργανο επιφανειακά τροποποιημένο AlN παρουσιάζει καλή αντοχή στην υδρόλυση και χαμηλό κόστος, καθιστώντας το μια πρακτική και πολλά υποσχόμενη μέθοδο επεξεργασίας.
03 Οργανική Τροποποίηση Επιφανείας
Η τροποποίηση της οργανικής επιφάνειας χρησιμοποιεί συνήθως υδρόφοβα οργανικά μόρια μακράς αλυσίδας για την επικάλυψη της επιφάνειας της σκόνης AlN ή για την εκτέλεση επιτόπιου πολυμερισμού, εμποδίζοντας έτσι τα μόρια του νερού να έρθουν σε επαφή με την επιφάνεια του AlN και βελτιώνοντας έτσι την αντίσταση στην υδρόλυση. Αυτή η προσέγγιση χαρακτηρίζει την απλή επεξεργασία, τον σύντομο χρόνο επεξεργασίας και τα σημαντικά αποτελέσματα τροποποίησης, ενώ βελτιώνει επίσης τη δυνατότητα διασποράς της σκόνης AlN σε υγρά εναιωρήματα σε κάποιο βαθμό. Οι οργανικοί τροποποιητές που χρησιμοποιούνται συνήθως περιλαμβάνουν τα οργανικά καρβοξυλικά οξέα και το στεατικό οξύ. Οι καρβοξυλομάδες σε τέτοια οργανικά οξέα μπορούν να αλληλεπιδράσουν και να αντιδράσουν με ομάδες υδροξυλίου στην επιφάνεια του AlN, καλύπτοντας την επιφάνεια του AlN με μια μακριά οργανική αλυσίδα που σχηματίζει ένα αποτελεσματικό αδιάβροχο στρώμα. Επιπλέον, οι παράγοντες σύζευξης-τα πρόσθετα που βελτιώνουν τις ιδιότητες διεπιφάνειας μεταξύ ανόργανων και οργανικών υλικών-περιέχουν υδρόφιλες και υδρόφοβες ομάδες. Η υδρόφοβη ομάδα αντιδρά χημικά ή έχει καλή συμβατότητα με οργανικά υλικά, ενώ η υδρόφιλη ομάδα μπορεί να σχηματίσει χημικούς δεσμούς με ανόργανα υλικά. Όταν χρησιμοποιείται ως τροποποιητές για το AlN, η υδρόφιλη ομάδα συνδέεται με την επιφάνεια του AlN, ενώ η υδρόφοβη ομάδα εκτίθεται στην επιφάνεια του AlN, προσδίδοντας υδροφοβικότητα και έτσι αποτρέποντας την άμεση επαφή μεταξύ νερού και επιφάνειας AlN, βελτιώνοντας έτσι την αντίσταση στην υδρόλυση. Ωστόσο, επειδή τα οργανικά υλικά έχουν γενικά κακή θερμική σταθερότητα, αυτή η τεχνική έχει ορισμένους περιορισμούς στην εφαρμογή.