Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penyelidik di Toyo Tanso Co., Ltd. di Jepun telah mengkaji sintesis pembakaran aluminium nitrida. Mereka berjaya menyediakan serbuk AlN yang longgar dan tidak beraglomerasi. Dalam proses ini, serbuk aluminium mentah dicampurkan dengan jumlah serbuk AlN yang sesuai yang telah disediakan oleh sintesis pembakaran untuk menurunkan suhu tindak balas. Campuran diletakkan di dalam dulang grafit, dan tindak balas nitridasi dimulakan dengan menghantar arus masa singkat beberapa puluh ampere melalui pemanas karbon. Keseluruhan tindak balas dijalankan dalam kebuk tindak balas tekanan tinggi yang diisi dengan nitrogen pada tekanan di bawah 1 MPa. AlN yang terhasil kemudiannya dihancurkan dan dikelaskan mengikut kaedah konvensional mengikut keperluan aplikasi.
Dari memuatkan hingga mengeluarkan produk selepas penyejukan, keseluruhan proses mengambil masa tidak lebih daripada dua jam. Analisis menunjukkan bahawa berbanding dengan proses penyediaan AlN konvensional, kaedah sintesis pembakaran ini mengurangkan kos sebanyak kira-kira 30-50%. Memandangkan kelebihan dan faedah kaedah sintesis pembakaran baharu ini, pengeluaran AlN telah dimulakan melalui projek usaha sama dengan Shanghai Toyo Tanso Co., Ltd.
Aluminium nitrida (AlN), disebabkan kekonduksian terma yang tinggi, penebat elektrik yang sangat baik, pemalar dielektrik yang rendah, pekali pengembangan haba yang sepadan dengan silikon (Si), dan keramahan alam sekitar, telah menjadi bahan pilihan untuk substrat seramik dalam pembungkusan elektronik. Ia boleh menyelesaikan masalah dengan berkesan seperti pelesapan haba dalam peranti berkuasa tinggi dan ketidakpadanan tekanan haba, dan digunakan secara meluas dalam bidang utama seperti komunikasi mudah alih generasi kelima (5G), kenderaan tenaga baharu dan aeroangkasa.
Kaedah sintesis utama untuk serbuk AlN termasuk nitridasi langsung dan pengurangan karboterma.
Nitridasi langsung melibatkan meletakkan serbuk aluminium dalam nitrogen dan memanaskannya pada suhu tinggi. Kelebihannya termasuk bahan mentah yang banyak, proses yang mudah, dan tiada tindak balas sampingan, menjadikannya agak sesuai untuk pengeluaran perindustrian.
Pengurangan karboterma menggunakan serbuk alumina dan serbuk karbon sebagai bahan mentah. Selepas pencampuran seragam, mereka dikurangkan dan dinitrida untuk membentuk AlN dalam atmosfera nitrogen yang mengalir pada suhu tinggi 1600–1800 darjah . Pada masa ini, kebanyakan serbuk AlN komersial disediakan melalui pengurangan karboterma. Serbuk AlN yang dihasilkan oleh kaedah ini mempunyai kelebihan seperti ketulenan yang tinggi, sfera yang baik, kemudahan pensinteran, dan kestabilan yang kuat.
Sebagai tambahan kepada nitridasi langsung serbuk aluminium dan pengurangan karboterma tradisional, sintesis pembakaran (CS) menggunakan tindak balas eksotermik penyebaran sendiri antara serbuk aluminium dan nitrogen untuk mensintesis serbuk AlN dengan cekap. Ia mengatasi kelemahan proses penyediaan serbuk AlN arus perdana, seperti kerumitan dan penggunaan tenaga yang tinggi, dan mempunyai kelebihan ketara termasuk aliran proses yang mudah, penggunaan tenaga yang rendah dan kitaran pengeluaran yang singkat. Ia menunjukkan potensi besar untuk penyediaan serbuk AlN berskala besar dan patut mendapat perhatian dan jangkaan yang rapi daripada industri.
Kemajuan Penyelidikan dalam Penyediaan Serbuk AlN melalui Sintesis Pembakaran
Memandangkan teknologi ini dicadangkan oleh pasukan Merzhanov di Kesatuan Soviet, ia telah digunakan untuk menyediakan pelbagai bahan dan telah mencapai pengeluaran perindustrian, dengan ciri dan kelebihan tersendiri, terutamanya dalam serbuk seramik, sebatian antara logam, salutan seramik, dan kawasan lain.
Sintesis pembakaran AlN boleh dianggap sebagai kaedah lanjutan nitridasi langsung serbuk Al. Dalam kaedah ini, serbuk Al bertindak balas dalam nitrogen tekanan tinggi. Tindak balas adalah pantas, dan haba yang dihasilkan oleh tindak balas antara Al dan nitrogen boleh mengekalkan tindak balas secara automatik sehingga selesai. Lapisan AlN yang terbentuk pada permukaan serbuk Al mungkin pecah akibat tindak balas yang ganas, dan permukaan segar yang terdedah boleh terus bertindak balas. Kaedah ini pantas dan cekap serta telah menarik perhatian yang besar. Walaupun intipatinya adalah sama seperti nitridasi langsung serbuk Al, kaedah ini tidak memerlukan tenaga luaran untuk mengekalkan persekitaran suhu tinggi yang diperlukan untuk Al nitridasi; ia hanya perlu dinyalakan pada peringkat awal tindak balas, sekali gus mengurangkan penggunaan tenaga.
Masalah terbesar dengan sintesis pembakaran ialah dalam proses pembakaran gas-pepejal Al-N2, jika tindak balas itu diteruskan hingga selesai bergantung semata-mata pada N2 dalam liang zon tindak balas, tekanan N2 yang diperlukan akan mencapai ribuan atmosfera. Oleh itu, sintesis pembakaran awal serbuk AlN kebanyakannya menggunakan sintesis tekanan ultratinggi, dengan tekanan N2 sehingga 310 MPa. Walau bagaimanapun, kekerasan yang wujud dalam keadaan tindak balas tekanan tinggi mengenakan keperluan yang sangat tinggi pada spesifikasi teknikal peralatan dan memerlukan risiko tinggi, sangat menyekat aplikasi dan pembangunan berskala besarnya.
Sebagai tindak balas, penyelidikan seterusnya kebanyakannya tertumpu pada mengoptimumkan proses pembakaran. Pada dasarnya, ini adalah peraturan arah tenaga dan pemindahan jisim pada antara muka Al-N2. Melalui pengoptimuman sinergistik parameter struktur gelombang pembakaran (suhu pembakaran, halaju perambatan, dll.), mekanisme korelasi antara parameter ini dan ciri produk (struktur mikro, pengedaran saiz zarah, ketulenan, dll.) diwujudkan.
Mengekalkan Ciri Pembakaran Penyusupan Al–N2
Penggunaan gas dalam zon tindak balas menyebabkan penurunan tekanan tempatan, dan kecerunan tekanan yang terhasil memacu N2 untuk menyusup secara spontan ke dalam zon tindak balas. Walau bagaimanapun, kesan prapemanasan di hadapan gelombang pembakaran menyebabkan zarah Al cair dan bergabung, membentuk penghalang resapan. Untuk mengekalkan ciri-ciri pembakaran penyusupan Al-N2, adalah perlu untuk mengimbangi termodinamik tindak balas dan kinetik antara muka Al-N2, menyekat pembentukan cair Al yang berlebihan, dan mengelakkan penyumbatan saluran liang dan keruntuhan antara muka tindak balas. Pelarut lengai boleh meningkatkan kapasiti haba sistem tindak balas pembakaran dengan ketara. Melalui kesan endotermik, ia meningkatkan pelesapan tenaga dan melemahkan aktiviti kinetik tindak balas, dengan ketara mengurangkan suhu puncak tindak balas pembakaran dan melambatkan halaju perambatan gelombang pembakaran dengan ketara.
Pada masa ini, strategi pencairan fasa pepejal telah mencapai nitridasi serbuk Al yang cekap dan lengkap di bawah tekanan rendah/tekanan ambien hampir, menjadi laluan utama untuk penembusan dalam kawalan antara muka tindak balas Al-N2. Walau bagaimanapun, pelarut fasa pepejal pasti mengurangkan hasil produk. Oleh itu, untuk memastikan hasil produk, penyelidik memperkenalkan gas seperti Ar dan H2. Dengan mencairkan tekanan separa nitrogen dalam zon tindak balas dan mengurangkan kebarangkalian perlanggaran molekul bahan tindak balas, gas-gas ini boleh menurunkan suhu tindak balas pembakaran dan halaju perambatan dengan berkesan. Walau bagaimanapun, pengenalan H2 menghalang penukaran tindak balas, membawa kepada peningkatan dalam kandungan aluminium sisa. Keputusan di atas menunjukkan bahawa mengekalkan ciri-ciri pembakaran penyusupan Al-N2 adalah kunci untuk mencapai penyediaan serbuk AlN berskala besar di bawah tekanan ambien yang rendah/hampir, menunjukkan arah teknikal untuk pengoptimuman proses yang berkaitan.
Suhu Tindak Balas Pembakaran
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 hingga 2057 K. Penurunan suhu pembakaran sangat menekan kadar resapan atom dan kinetik pertumbuhan butiran AlN produk dalam zon suhu tinggi, dengan itu memperhalusi saiz butiran AlN dengan berkesan dan meningkatkan keseragaman morfologinya.
Walaupun suhu adiabatik sistem kekal malar apabila tekanan nitrogen meningkat, suhu tindak balas pembakaran meningkat. Peningkatan suhu tindak balas pembakaran meningkatkan keupayaan resapan atom dan memanjangkan masa yang dihabiskan bijirin dalam zon suhu tinggi, dengan itu menggalakkan pertumbuhan bijian AlN dengan ketara, disertai dengan penggumpalan yang disebabkan oleh pensinteran antara zarah. Perbezaan ini berpunca daripada peningkatan dalam fluks molekul N2 per unit isipadu, yang meningkatkan kecekapan resapan dan pemindahan jisim bahan tindak balas fasa gas pada antara muka tindak balas. Ia boleh dilihat bahawa suhu tindak balas pembakaran bukan sahaja parameter teras untuk mengekalkan mod pembakaran penyusupan Al-N2, tetapi juga mengawal secara langsung taburan saiz zarah dan keadaan aglomerasi zarah produk serbuk AlN akhir.
Bahan Tambahan Pembakaran
Evolusi taburan tiga fasa serbuk Al yang disebabkan di bawah kejutan haba sementara gelombang pembakaran, termasuk keruntuhan lebur rangka pepejal, penyekatan fluks penyusupan N2 oleh antara muka pepejal-cecair, dan ketidakstabilan gelombang pembakaran yang disebabkan oleh tindak balas fasa gas, secara kolektif menentukan tingkah laku nukleasi/pertumbuhan butir AlN. Kekangan keras ini menjadikan penambahan in situ bagi bahan tambahan surih sebagai salah satu laluan utama untuk mengawal selia pengedaran tiga fasa Al.
Ammonium halida, sebagai bahan tambahan yang paling biasa digunakan dalam sistem pembakaran Al-N2, secara amnya dipercayai dapat mengurangkan suhu pembakaran dan halaju perambatan melalui penguraian endotermik, manakala gas yang dihasilkan oleh penguraian boleh membina saluran mikro sementara dan menggalakkan penyusupan N2. Walaupun mekanisme kawalan morfologi universal belum lagi diwujudkan dalam bidang sintesis pembakaran AlN, bahan tambahan masih diiktiraf secara meluas sebagai kaedah untuk mengawal selia laluan tindak balas pembakaran yang menggabungkan kemudahan operasi dan kebolehsuaian kejuruteraan.