Aluminiumnitrid (AlN) har ekstremt høj teoretisk termisk ledningsevne (~320 W/(m·K)), fremragende elektrisk isolering, lavt dielektrisk tab og en termisk udvidelseskoefficient, der matcher halvledermaterialer. Uanset om det er et ideelt materiale til høj-emballeringssubstrater til spåner, et kernefunktionelt fyldstof i termisk ledende fedtstoffer og geler eller præcisionskeramiske komponenter, der fungerer i barske miljøer, fortsætter AlN med at skubbe ydeevnegrænser. AlN-pulver er imidlertid meget modtageligt for hydrolyse, hvilket producerer oxygen-holdige urenheder (f.eks. -AlOOH, Al(OH)₃, -Al2O₃), som signifikant reducerer pulverets renhed og nedbryder den termiske ledningsevne af slutprodukter. Mere kritisk hindrer hydrolyseprodukterne direkte udviklingen og anvendelsen af vandbaserede formningsprocesser til AlN-keramik (f.eks. tapestøbning, gelstøbning). Efterhånden som anvendelsesscenarierne for AlN udvides,-er især det stigende behov for kontakt med miljøer med høj luftfugtighed og vandige systemer-forbedring af anti-hydrolysestabiliteten af AlN-pulver blevet en kerneteknisk flaskehals for at sikre pålidelig realisering af dets enestående egenskaber.
Hydrolysemekanisme af aluminiumnitrid
Begrænset af nuværende produktionsprocesser og miljøfølsomhed er den industrielle produktion af højrent AlN-pulver fortsat udfordrende. For det første, når AlN kommer i kontakt med vand, interagerer hydroxylgrupper (–OH) fra vandmolekyler med nitrogen (N) og aluminium (Al) i AlN, hvilket forstyrrer krystalstrukturen og danner amorfe mellemprodukter (AlOOH) og NH₃. Den frigivne NH3 reagerer yderligere med vand til dannelse af ammonium (NH4⁺) og hydroxidioner (OH⁻), og den eksoterme natur hæver systemets temperatur og alkalinitet (pH > 9), hvilket letter efterfølgende reaktioner. Under visse temperaturer og alkaliske forhold reagerer amorft AlOOH yderligere med vand for at producere Al(OH)3. I sidste ende hydrolyserer AlN fuldstændigt til Al(OH)3 og NH3.
Det er bemærkelsesværdigt, at denne hydrolyseproces ikke er begrænset til direkte kontakt mellem AlN-pulver og flydende vand. Udsættelse for luft kan også inducere hydrolyse ved at adsorbere atmosfærisk fugt. Desuden katalyserer defekter på AlN-partikeloverfladen eller tilstedeværelsen af andre urenheder hydrolysereaktionen betydeligt. Derfor er overflademodifikation påkrævet for at reducere den kemiske aktivitet af pulveroverfladen mod vand.
Anti-hydrolysemodifikationsteknologier til aluminiumnitrid
For at løse problemet med hydrolyse af AlN findes der to hovedmodifikationsstrategier: termisk behandling og overflademodifikation. Overflademodifikation er yderligere opdelt i uorganiske og organiske tilgange.
01 Termisk behandling
Denne metode involverer højtemperaturbehandling af AlN-pulver under en specifik atmosfære, styring af oxygenindhold, temperatur og oxidationstid for at danne en tæt Al₂O₃-film på overfladen som en fysisk barriere, hvorved pulverets hydrolyseresistens til en vis grad forbedres. Selvom denne metode er enkel og billig, er dens kerneulempe, at den uundgåelige introduktion af Al₂O₃-fasen under termisk behandling væsentligt forringer nøgleegenskaber såsom varmeledningsevnen af den endelige AlN-keramik. Det betragtes således ikke som en ideel anti-hydrolysevej til højkvalitets AlN-opbevaring og påføring.
02 Uorganisk overflademodifikation
Uorganisk overflademodifikation bruger hovedsageligt uorganiske syrer såsom H₂SiO₃ eller H₃PO₄ til at beskytte AlN og danner et tyndt filmlignende lag på overfladen, der undertrykker hydrolyse i opløsning. Generelt påvirker opløseligheden af den dannede film i høj grad hydrolyseadfærden. For eksempel har aluminiumsilicat meget lav opløselighed i både varmt og koldt vand, mens aluminiumfosfat har højere opløselighed i varmt vand. Ved forhøjede temperaturer er antihydrolysevirkningen af H₂SiO₃ derfor væsentligt bedre end H₃PO4-effekten. Ydermere er effektiviteten af denne modifikation relateret til partikelstørrelsen af AlN-pulver. Mindre partikler har højere overfladeaktivitet og stærkere adsorptionskapacitet for uorganiske syrer, hvilket fører til en mere udtalt anti-hydrolyseeffekt. For større partikler er belægningseffekten mindre effektiv end for små partikler, så mindre størrelser foretrækkes. Ud over vask med uorganisk syre tillader behandling med en Al(H2PO4)3-opløsning, at phosphatanioner danner mindst et monolag af phosphat på AlN-partikeloverfladen, hvilket forhindrer vandindtrængning. Derfor er det også en effektiv anti-hydrolysemodifikationsmetode at bruge en enkelt behandling med Al(H₂PO₄)₃-opløsning ved høj temperatur eller at kombinere det med vask med uorganisk syre. Uorganisk overflademodificeret AlN udviser god hydrolyseresistens og lave omkostninger, hvilket gør det til en praktisk og lovende behandlingsmetode.
03 Organisk overflademodifikation
Organisk overflademodifikation bruger typisk hydrofobe langkædede organiske molekyler til at coate AlN-pulveroverfladen eller til at udføre in-situ polymerisation, og derved forhindre vandmolekyler i at komme i kontakt med AlN-overfladen og dermed forbedre hydrolyseresistensen. Denne tilgang har enkel behandling, kort behandlingstid og betydelige modifikationseffekter, samtidig med at den forbedrer dispergerbarheden af AlN-pulver i flydende suspensioner til en vis grad. Almindeligt anvendte organiske modifikatorer omfatter organiske carboxylsyrer og stearinsyre. Carboxylgrupperne i sådanne organiske syrer kan interagere og reagere med hydroxylgrupper på AlN-overfladen, hvilket dækker AlN-overfladen med en lang organisk kæde, der danner et effektivt vandtæt lag. Derudover indeholder koblingsmidler-additiver, der forbedrer grænsefladeegenskaberne mellem uorganiske og organiske materialer- både hydrofile og hydrofobe grupper. Den hydrofobe gruppe reagerer kemisk med eller har god forenelighed med organiske materialer, mens den hydrofile gruppe kan danne kemiske bindinger med uorganiske materialer. Når den anvendes som modifikatorer for AlN, binder den hydrofile gruppe til AlN-overfladen, mens den hydrofobe gruppe blotlægges på AlN-overfladen, hvilket giver hydrofobicitet og dermed forhindrer direkte kontakt mellem vand og AlN-overfladen, hvorved hydrolyseresistensen forbedres. Men fordi organiske materialer generelt har dårlig termisk stabilitet, har denne teknik visse begrænsninger i anvendelsen.