純氮化鋁呈藍白色，通常為灰色或灰白色。氮化鋁的理論密度為3.26g/ cm3 ，常壓下在2450°C 升華分解。氮化鋁材料的優(yōu)點是室溫強度高，且強度隨溫度升高而下降較緩。此外，氮化鋁陶瓷具有高熱導率，是一種良好的耐熱沖擊材料。利用它的較高的體積電阻率、絕緣強度、導熱率、較低的熱膨脹系數(shù)和介電常數(shù)，可用作大功率半導體器件的絕緣基片、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的散熱基片和封裝基片。利用它的高聲波傳導速度特性，可用作高頻信息處理機中的表面波器件。利用它的高耐火性及高溫化學穩(wěn)定性，可用來制作在1300～2000 ℃下工作的制取熔融鋁、錫、鎵、玻璃、硼酐等用的坩堝。氮化鋁已成為新材料領域的重要分支。

一、氮化鋁粉體制備

氮化鋁陶瓷的制備工藝和性能均受到粉體特性的直接影響，要獲得高性能的氮化鋁陶瓷，必須有純度高、燒結活性好的粉體作原料。氮化鋁粉體中的氧雜質會嚴重降低熱導率，而粉體粒度、粒子形態(tài)則對成形和燒結有重要的影響。因此，粉體合成是氮化鋁陶瓷生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。氮化鋁粉體合成的方法很多，其中用于大規(guī)模生產(chǎn)的主要有三種，其他一些方法尚未獲得普遍應用。

1、鋁粉直接氮化法

金屬直接氮化法的實質在于金屬鋁在高溫下與氮(或氨) 直接反應，生成氮化鋁。鋁與氮的反應是放熱反應。當反應開始后停止外部加熱，則反應可在加大氮氣流量的條件下繼續(xù)進行到底。金屬鋁顆粒表面上逐漸生成氮化物膜，會使氮難以進一步滲透，氮化速度減慢。所以需要進行2次氮化法，即一次氮化后的產(chǎn)物經(jīng)球磨后，再進行二次氮化。這樣就可以制備出接近化學計量成分的均勻的氮化鋁。這是一種思路簡單而直接易行的方法，能合成大量純度較高的氮化鋁粉，沒有什么副反應，已用于大規(guī)模生產(chǎn)。 

2、Al2O3 碳熱還原法

該法是采用超細氧化鋁粉和高純度碳黑作為起始原料，經(jīng)過球磨混合，最后置于石墨坩堝中，在碳管爐中N2 氣氛下合成。 合成溫度范圍為:1600～1750 ℃，保溫時間4～10h ，然后在N2 氣氛中冷卻，最終得到黑色粉末狀氮化物，然后在空氣中，600～700 ℃下保溫10～16h ，進行脫碳處理，即得到灰白色、流動性良好的氮化鋁粉末。這種方法目前在工業(yè)生產(chǎn)中應用得最為普遍。 

用碳熱還原法合成的氮化鋁粉體純度較高，成形和燒結性能都比較好，但合成溫度高，反應時間長，粉體粒度也比較大。此方法制備的氮化鋁粉末純度高，性能穩(wěn)定，具有良好的成形性與燒結性能。

3、氣溶膠(氣相反應) 法

與其他方法相比，氣溶膠法最適合于連續(xù)生產(chǎn)，而且這種方法可以方便地控制氮化鋁顆粒的成核和生長速率，從而獲得尺寸均勻的超細粉。用AlCl3或鋁的金屬有機化合物為原料，與NH3 經(jīng)過下述兩個氣相反應過程合成氮化鋁。

        AlCl3 + NH3 →氮化鋁 + 3HCl                   

        Al (C2H5) + NH3 →氮化鋁 + 3C2H6

4、電弧法

用兩個高純鋁電極在氮氣中產(chǎn)生直流電弧，電極之間的電弧高溫使Al 氮化，鋁蒸汽與氮氣反應生成氮化鋁。這種方法可獲得高純度、超細的氮化鋁。

5、等離子化學合成氮化鋁粉末

采用等離子化學合成法來制備氮化鋁粉末，能有效地縮短反應時間，合成超細的粉末產(chǎn)品。在等離子體合成時，一般采用無電極的高頻或超高頻放電的等離子體發(fā)生器。合成過程在含有氨的等離子體中加入鋁粉的情況下進行。等離子流徑向溫度梯度比較大，而且沿中心線的溫度比較高，因此，鋁粉顆粒的加熱取決于顆粒流落入等離子流中心高溫區(qū)的速度。等離子化學合成的氮化鋁由于粒度細、比表面積大而具有很高的活性和良好的工藝性能。這種粉末用燒結法制取制品時，燒結溫度可降低300°C ，并可制得幾乎完全致密的氮化鋁陶瓷。

二、氮化鋁陶瓷燒結方法

氮化鋁是一種共價鍵化合物，有限的原子的擴散能力阻止了純氮化鋁的致密度，所以燒結非常困難。必須有較高的壓力或燒結助劑來促使其致密。通過以下三種途徑可獲得致密的高性能氮化鋁陶瓷:

1、使用超細粉。 

2、熱壓或等靜壓。 

3、引入助結合劑。

其中，第一種途徑受粉體性能影響比較大，通常的商業(yè)氮化鋁粉無法滿足要求，而且超細粉也會給流延成形帶來困難。第二種途徑適用于高性能的塊體氮化鋁陶瓷材料的制備，但對氮化鋁流延基片與金屬漿料的多層共燒有很大的局限性，不能用于電子封對技術。第三種途徑工藝上易于實現(xiàn)，適用于流延成形和無壓燒結，有可能獲得低成本高性能的氮化鋁陶瓷，為眾多企業(yè)所采用。

氮化鋁的常用助燒劑是某些稀土金屬氧化物和堿土金屬氧化物，如Y2O3 、CaO 等，燒結溫度通常在2073～2123K之間，所獲得氮化鋁陶瓷熱導率為170～260W/ (m·K) 。助燒劑主要起兩方面的作用:一方面形成低熔物相，實現(xiàn)液相燒結，促進坯體致密化。另一方面，高熱導率是氮化鋁陶瓷的重要性能，而實際氮化鋁陶瓷中由于存在各種缺陷，熱導率遠低于其理論值319W/ (m·K) 。氧雜質是形成缺陷的主要原因，助燒劑的另一個作用就是與氮化鋁中的氧雜質反應，使晶格完整化，進而提高熱導率。 

小結：氮化鋁具有多方面的優(yōu)越性能，應用前景十分廣闊。氮化鋁陶瓷是集成電路理想的基片材料。由于抗熱震性好，氮化鋁陶瓷可用于制造性能優(yōu)越的加熱器。作為耐火材料，它具有耐高溫腐蝕的優(yōu)點。透明氮化鋁陶瓷還可用于電子光學器件。此外，研究人員試圖開發(fā)氮化鋁薄膜在高技術領域的新用途，已經(jīng)取得了一些進展。

（粉體圈 作者：敬之）