En els últims anys, els investigadors de Toyo Tanso Co., Ltd. al Japó han estat estudiant la síntesi de combustió del nitrur d'alumini. Van preparar amb èxit pols d'AlN solt i no aglomerat. En aquest procés, la pols d'alumini en brut es barreja amb una quantitat adequada de pols d'AlN preparada prèviament per síntesi de combustió per reduir la temperatura de reacció. La mescla es col·loca en una safata de grafit i la reacció de nitruració s'inicia fent passar un corrent de curta durada de diverses desenes d'amperes a través d'un escalfador de carboni. Tota la reacció es porta a terme en una cambra de reacció d'alta pressió plena de nitrogen a una pressió inferior a 1 MPa. L'AlN resultant es tritura i es classifica per mètodes convencionals segons els requisits de l'aplicació.
Des de la càrrega fins a la retirada del producte després del refredament, tot el procés no dura més de dues hores. L'anàlisi mostra que, en comparació amb els processos convencionals de preparació d'AlN, aquest mètode de síntesi de combustió redueix els costos entre un 30 i un 50%. Tenint en compte els avantatges i beneficis d'aquest nou mètode de síntesi de combustió, la producció d'AlN s'ha iniciat mitjançant un projecte d'empresa conjunta amb Shanghai Toyo Tanso Co., Ltd.
El nitrur d'alumini (AlN), a causa de la seva alta conductivitat tèrmica, excel·lent aïllament elèctric, baixa constant dielèctrica, coeficient d'expansió tèrmica que coincideix amb el del silici (Si) i respectuós amb el medi ambient, s'ha convertit en el material preferit per a substrats ceràmics en envasos electrònics. Pot resoldre eficaçment problemes com ara la dissipació de calor en dispositius d'alta potència i desajustaments d'estrès tèrmic, i s'utilitza àmpliament en camps clau com les comunicacions mòbils de cinquena generació (5G), els vehicles de nova energia i l'aeroespacial.
Els principals mètodes de síntesi per a pols d'AlN inclouen la nitruració directa i la reducció carbotèrmica.
La nitruració directa consisteix a col·locar pols d'alumini en nitrogen i escalfar-lo a una temperatura elevada. Els seus avantatges inclouen abundants matèries primeres, un procés senzill i sense reaccions secundaries, el que el fa relativament adequat per a la producció industrial.
La reducció carbotèrmica utilitza com a matèries primeres pols d'alúmina i pols de carboni. Després d'una barreja uniforme, es redueixen i es nitruren per formar AlN en una atmosfera de nitrogen que flueix a una temperatura elevada de 1600-1800 graus. Actualment, la majoria de pols comercial d'AlN es prepara per reducció carbotèrmica. La pols d'AlN produïda per aquest mètode té avantatges com ara una gran puresa, bona esfericitat, facilitat de sinterització i una forta estabilitat.
A més de la nitruració directa tradicional de la pols d'alumini i la reducció carbotèrmica, la síntesi de combustió (CS) utilitza la reacció exotèrmica d'autopropagació entre la pols d'alumini i el nitrogen per sintetitzar de manera eficient la pols d'AlN. Supera els inconvenients dels processos actuals de preparació de pols d'AlN, com ara la complexitat i l'alt consum d'energia, i té avantatges significatius que inclouen un flux de procés simple, un baix consum d'energia i un cicle de producció curt. Mostra un gran potencial per a la preparació a gran escala de pols d'AlN i mereix molta atenció i expectatives de la indústria.
Progrés de la investigació en la preparació de pols d'AlN per síntesi de combustió
Atès que aquesta tecnologia va ser proposada per l'equip de Merzhanov a la Unió Soviètica, s'ha utilitzat per preparar una varietat de materials i ha aconseguit una producció industrial, amb les seves pròpies característiques i avantatges, especialment en pols ceràmiques, compostos intermetàl·lics, recobriments ceràmics i altres àrees.
La síntesi de combustió d'AlN es pot considerar com un mètode estès de nitruració directa de pols d'Al. En aquest mètode, la pols d'Al reacciona en nitrogen a alta pressió. La reacció és ràpida i la calor generada per la reacció entre Al i nitrogen pot mantenir la reacció automàticament fins a la seva finalització. La capa d'AlN formada a la superfície de la pols d'Al pot trencar-se a causa de la reacció violenta i la superfície fresca exposada pot continuar reaccionant. Aquest mètode és ràpid i eficient i ha cridat una gran atenció. Tot i que la seva essència és la mateixa que la nitruració directa de pols d'Al, aquest mètode no requereix energia externa per mantenir l'entorn d'alta temperatura necessari per a la nitruració d'Al; només s'ha d'encendre en la fase inicial de la reacció, reduint així molt el consum d'energia.
El problema més gran de la síntesi de combustió és que en el procés de combustió gas-sòlid d'Al-N2, si la reacció s'hagués de completar basant-se únicament en N2 dins dels porus de la zona de reacció, la pressió de N2 requerida arribaria a milers d'atmosferes. Per tant, la síntesi de combustió primerenca de pols d'AlN utilitzava principalment síntesi d'ultraalta pressió, amb una pressió de N2 de fins a 310 MPa. Tanmateix, la duresa inherent de les condicions de reacció d'alta pressió imposa requisits molt elevats a les especificacions tècniques de l'equip i comporta un alt risc, restringint severament la seva aplicació i desenvolupament a gran escala.
Com a resposta, les investigacions posteriors s'han centrat principalment en l'optimització del procés de combustió. En essència, es tracta de la regulació direccional de la transferència d'energia i massa a la interfície Al–N2. Mitjançant l'optimització sinèrgica dels paràmetres de l'estructura de les ones de combustió (temperatura de combustió, velocitat de propagació, etc.), s'estableix un mecanisme de correlació entre aquests paràmetres i les característiques del producte (microestructura, distribució de la mida de les partícules, puresa, etc.).
Manteniment de les característiques de combustió d'infiltració d'Al–N2
El consum de gas a la zona de reacció provoca una caiguda de pressió local i el gradient de pressió resultant fa que l'N2 s'infiltri espontàniament direccionalment a la zona de reacció. Tanmateix, l'efecte de preescalfament al front d'ona de combustió fa que les partícules d'Al es fonguin i s'uneixin, formant una barrera de difusió. Per mantenir les característiques de combustió d'infiltració d'Al-N2, és necessari equilibrar la termodinàmica de la reacció i la cinètica interfacial d'Al-N2, suprimir la formació de fusió excessiva d'Al i evitar el bloqueig del canal de porus i el col·lapse de la interfície de reacció. Els diluents inerts poden augmentar significativament la capacitat calorífica del sistema de reacció de combustió. Mitjançant els efectes endotèrmics, milloren la dissipació d'energia i debiliten l'activitat cinètica de la reacció, reduint significativament la temperatura màxima de la reacció de combustió i alentint notablement la velocitat de propagació de l'ona de combustió.
En l'actualitat, l'estratègia de diluent en fase sòlida ha aconseguit una nitruració eficient i completa de la pols d'Al a baixa pressió/a prop de la pressió ambiental, convertint-se en un camí clau per a l'avenç en el control de la interfície de reacció Al–N2. Tanmateix, els diluents en fase sòlida redueixen inevitablement el rendiment del producte. Per tant, per garantir el rendiment del producte, els investigadors introdueixen gasos com Ar i H2. Mitjançant la dilució de la pressió parcial de nitrogen a la zona de reacció i la reducció de la probabilitat de col·lisió de les molècules de reactius, aquests gasos poden reduir efectivament la temperatura de la reacció de combustió i la velocitat de propagació. Tanmateix, la introducció d'H2 inhibeix la conversió de la reacció, donant lloc a un augment del contingut d'alumini residual. Els resultats anteriors indiquen que mantenir les característiques de combustió d'infiltració d'Al-N2 és clau per aconseguir una preparació a gran escala de pols d'AlN a pressió ambiental baixa/propia, assenyalant la direcció tècnica per a l'optimització del procés relacionat.
Temperatura de reacció de combustió
Under the infiltration combustion framework, regulating the aluminum powder content and nitrogen pressure is the most direct and controllable process means. Studies show that when the aluminum powder content decreases from 60% (mole fraction) to 40% (diluent content increases from 40% to 60%), the adiabatic temperature of the system significantly decreases from 4120 K to 2890 K, and the maximum combustion reaction temperature decreases from >2573 K a 2057 K. La disminució de la temperatura de combustió suprimeix en gran mesura la velocitat de difusió atòmica i la cinètica de creixement dels grans de producte AlN a la zona d'alta temperatura, perfeccionant així eficaçment la mida del gra AlN i millorant la seva uniformitat morfològica.
Tot i que la temperatura adiabàtica del sistema es manté constant a mesura que augmenta la pressió del nitrogen, augmenta la temperatura de la reacció de combustió. L'augment de la temperatura de la reacció de combustió millora la capacitat de difusió atòmica i perllonga el temps que passen els grans a la zona d'alta temperatura, promovent així significativament el creixement de grans d'AlN, acompanyat d'una aglomeració causada per la sinterització entre partícules. Aquesta diferència prové d'un augment del flux molecular de N2 per unitat de volum, que millora l'eficiència de difusió i transferència de massa dels reactius en fase gasosa a la interfície de reacció. Es pot veure que la temperatura de reacció de combustió no només és un paràmetre bàsic per mantenir el mode de combustió d'infiltració d'Al-N2, sinó que també regula directament la distribució de la mida de les partícules i l'estat d'aglomeració de partícules del producte final en pols d'AlN.
Additius de combustió
L'evolució de la distribució trifàsica de pols d'Al induïda sota el xoc tèrmic transitori de l'ona de combustió, inclòs el col·lapse de fusió de l'esquelet sòlid, el bloqueig del flux d'infiltració de N2 per la interfície sòlid-líquid i la inestabilitat de l'ona de combustió causada per reaccions en fase gasosa, determina col·lectivament el comportament de nucleació / creixement dels grans d'AlN. Aquesta dura limitació fa que l'addició in situ d'additius traça sigui un dels camins clau per regular la distribució trifàsica d'Al.
Els halogenurs d'amoni, com els additius més utilitzats en el sistema de combustió Al-N2, es creu generalment que redueixen la temperatura de combustió i la velocitat de propagació mitjançant la descomposició endotèrmica, mentre que els gasos generats per la descomposició poden construir microcanals transitoris i promoure la infiltració de N2. Tot i que encara no s'ha establert un mecanisme de control de la morfologia universal en el camp de la síntesi de combustió d'AlN, els additius encara són àmpliament reconeguts com un mètode per regular el camí de la reacció de combustió que combina la facilitat d'operació i l'adaptabilitat de l'enginyeria.