F'dawn l-aħħar snin, riċerkaturi f'Toyo Tanso Co., Ltd fil-Ġappun ilhom jistudjaw is-sinteżi tal-kombustjoni tan-nitrur tal-aluminju. Huma ppreparaw b'suċċess trab AlN maħlul u mhux agglomerat. F'dan il-proċess, trab tal-aluminju mhux ipproċessat jitħallat ma 'ammont xieraq ta' trab AlN ippreparat minn qabel permezz ta 'sintesi tal-kombustjoni biex titbaxxa t-temperatura tar-reazzjoni. It-taħlita titqiegħed fi trej tal-grafita, u r-reazzjoni ta 'nitritazzjoni tinbeda billi tgħaddi kurrent ta' żmien qasir ta 'diversi għexieren ta' amperes minn ġo heater tal-karbonju. Ir-reazzjoni kollha titwettaq f'kamra ta 'reazzjoni bi pressjoni għolja mimlija bin-nitroġenu fi pressjoni taħt 1 MPa. L-AlN li jirriżulta mbagħad jiġi mgħaffeġ u kklassifikat b'metodi konvenzjonali skont ir-rekwiżiti tal-applikazzjoni.
Mit-tagħbija sat-tneħħija tal-prodott wara t-tkessiħ, il-proċess kollu ma jieħux aktar minn sagħtejn. Analiżi turi li meta mqabbel ma 'proċessi ta' preparazzjoni AlN konvenzjonali, dan il-metodu ta 'sinteżi ta' kombustjoni jnaqqas l-ispejjeż b'madwar 30-50%. Fid-dawl tal-vantaġġi u l-benefiċċji ta 'dan il-metodu ġdid ta' sinteżi tal-kombustjoni, il-produzzjoni ta 'AlN inbdiet permezz ta' proġett ta 'joint venture ma' Shanghai Toyo Tanso Co., Ltd.
Nitrur tal-aluminju (AlN), minħabba l-konduttività termali għolja tiegħu, insulazzjoni elettrika eċċellenti, kostanti dielettrika baxxa, koeffiċjent ta 'espansjoni termali li jaqbel ma' dak tas-silikon (Si), u ħbiberija ambjentali, sar il-materjal preferut għal sottostrati taċ-ċeramika fl-ippakkjar elettroniku. Jista 'jsolvi b'mod effettiv problemi bħad-dissipazzjoni tas-sħana f'apparati ta' qawwa għolja u nuqqas ta 'tqabbil ta' stress termali, u huwa użat ħafna f'oqsma ewlenin bħal komunikazzjonijiet mobbli tal-ħames ġenerazzjoni (5G), vetturi tal-enerġija ġodda u aerospazjali.
Il-metodi ta 'sinteżi ewlenin għat-trab ta' AlN jinkludu nitridazzjoni diretta u tnaqqis karbotermali.
In-nitritazzjoni diretta tinvolvi t-tqegħid tat-trab tal-aluminju fin-nitroġenu u t-tisħin għal temperatura għolja. Il-vantaġġi tiegħu jinkludu materja prima abbundanti, proċess sempliċi, u l-ebda reazzjonijiet sekondarji, li jagħmilha relattivament adattata għall-produzzjoni industrijali.
It-tnaqqis karbotermali juża trab tal-alumina u trab tal-karbonju bħala materja prima. Wara taħlit uniformi, huma mnaqqsa u nitrurati biex jiffurmaw AlN f'atmosfera ta 'nitroġenu li tiċċirkola f'temperatura għolja ta' 1600-1800 grad. Fil-preżent, il-biċċa l-kbira tat-trab AlN kummerċjali huwa ppreparat permezz ta 'tnaqqis karbotermali. It-trab AlN prodott b'dan il-metodu għandu vantaġġi bħal purità għolja, sferiċità tajba, faċilità ta 'sinterizzazzjoni, u stabbiltà qawwija.
Minbarra n-nitridazzjoni diretta tradizzjonali tat-trab tal-aluminju u t-tnaqqis karbotermali, is-sinteżi tal-kombustjoni (CS) tuża r-reazzjoni eżotermika li tippropaga lilha nnifisha bejn it-trab tal-aluminju u n-nitroġenu biex tisntetizza b'mod effiċjenti trab AlN. Jegħleb l-iżvantaġġi tal-proċessi tal-preparazzjoni tat-trab AlN mainstream attwali, bħall-kumplessità u l-konsum għoli ta 'enerġija, u għandu vantaġġi sinifikanti inklużi fluss ta' proċess sempliċi, konsum baxx ta 'enerġija, u ċiklu ta' produzzjoni qasir. Juri potenzjal kbir għal preparazzjoni fuq skala kbira ta 'trab ta' AlN u jistħoqqlu attenzjoni mill-qrib u aspettattivi mill-industrija.
Progress tar-Riċerka fil-Preparazzjoni ta 'Trab ta' AlN bis-Sinteżi tal-Kombustjoni
Peress li din it-teknoloġija ġiet proposta mit-tim ta 'Merzhanov fl-Unjoni Sovjetika, intużat biex tipprepara varjetà ta' materjali u kisbet produzzjoni industrijali, bil-karatteristiċi u l-vantaġġi tagħha stess, speċjalment fi trab taċ-ċeramika, komposti intermetalliċi, kisjiet taċ-ċeramika, u oqsma oħra.
Is-sinteżi tal-kombustjoni ta 'AlN tista' titqies bħala metodu estiż ta 'nitridazzjoni diretta ta' trab Al. F'dan il-metodu, trab Al jirreaġixxi fin-nitroġenu bi pressjoni għolja. Ir-reazzjoni hija mgħaġġla, u s-sħana ġġenerata mir-reazzjoni bejn Al u nitroġenu tista 'ssostni r-reazzjoni awtomatikament sakemm titlesta. Is-saff AlN iffurmat fuq il-wiċċ tat-trab Al jista 'jinkisser minħabba r-reazzjoni vjolenti, u l-wiċċ frisk espost jista' jkompli jirreaġixxi. Dan il-metodu huwa mgħaġġel u effiċjenti u ġibed attenzjoni kbira. Għalkemm l-essenza tagħha hija l-istess bħan-nitritazzjoni diretta ta 'trab Al, dan il-metodu ma jeħtieġx enerġija esterna biex iżomm l-ambjent ta' temperatura għolja meħtieġ għan-nitritazzjoni ta 'Al; jeħtieġ biss li jinxtegħel fl-istadju inizjali tar-reazzjoni, u b'hekk jitnaqqas ħafna l-konsum tal-enerġija.
L-akbar problema bis-sintesi tal-kombustjoni hija li fil-proċess ta 'kombustjoni solidu tal-gass Al–N2, kieku r-reazzjoni kellha tipproċedi għat-tlestija billi tiddependi biss fuq N2 fil-pori taż-żona ta' reazzjoni, il-pressjoni N2 meħtieġa tilħaq eluf ta 'atmosferi. Għalhekk, sinteżi ta 'kombustjoni bikrija ta' trab AlN użat l-aktar sinteżi ta 'pressjoni ultrahigh, bi pressjoni N2 sa 310 MPa. Madankollu, il-ħruxija inerenti tal-kundizzjonijiet ta 'reazzjoni ta' pressjoni għolja timponi rekwiżiti għoljin ħafna fuq l-ispeċifikazzjonijiet tekniċi tat-tagħmir u tinvolvi riskju għoli, li tirrestrinġi serjament l-applikazzjoni u l-iżvilupp fuq skala kbira tagħha.
Bi tweġiba, ir-riċerka sussegwenti ffokat l-aktar fuq l-ottimizzazzjoni tal-proċess tal-kombustjoni. Essenzjalment, din hija regolazzjoni direzzjonali tat-trasferiment tal-enerġija u tal-massa fl-interface Al-N2. Permezz ta 'ottimizzazzjoni sinerġistika tal-parametri tal-istruttura tal-mewġ tal-kombustjoni (temperatura tal-kombustjoni, veloċità tal-propagazzjoni, eċċ.), jiġi stabbilit mekkaniżmu ta' korrelazzjoni bejn dawn il-parametri u l-karatteristiċi tal-prodott (mikrostruttura, distribuzzjoni tad-daqs tal-partiċelli, purità, eċċ.).
Iż-żamma tal-Karatteristiċi tal-Kombustjoni tal-Infiltrazzjoni ta 'Al–N2
Il-konsum tal-gass fiż-żona ta 'reazzjoni jikkawża tnaqqis fil-pressjoni lokali, u l-gradjent tal-pressjoni li jirriżulta jmexxi N2 biex jinfiltra b'mod spontanju f'direzzjoni fiż-żona ta' reazzjoni. Madankollu, l-effett tat-tisħin minn qabel fuq il-faċċata tal-mewġ tal-kombustjoni jikkawża li l-partiċelli Al jiddewweb u jingħaqdu, u jiffurmaw barriera tad-diffużjoni. Biex iżżomm il-karatteristiċi tal-kombustjoni tal-infiltrazzjoni ta 'Al-N2, huwa meħtieġ li jiġu bbilanċjati t-termodinamika tar-reazzjoni u l-kinetika interfacial ta' Al-N2, irażżan il-formazzjoni ta 'tidwib eċċessiv ta' Al, u tevita l-imblukkar tal-kanal tal-pori u l-kollass tal-interface tar-reazzjoni. Dilwenti inerti jistgħu jżidu b'mod sinifikanti l-kapaċità tas-sħana tas-sistema ta 'reazzjoni tal-kombustjoni. Permezz ta 'effetti endotermiċi, isaħħu d-dissipazzjoni tal-enerġija u jdgħajfu l-attività kinetika tar-reazzjoni, inaqqsu b'mod sinifikanti t-temperatura massima tar-reazzjoni tal-kombustjoni u jnaqqsu b'mod notevoli l-veloċità tal-propagazzjoni tal-mewġ tal-kombustjoni.
Fil-preżent, l-istrateġija tad-dilwent tal-fażi solida kisbet nitridazzjoni effiċjenti u kompluta tat-trab Al taħt pressjoni baxxa/pressjoni ambjentali qrib, u saret triq ewlenija għal avvanz fil-kontroll tal-interface tar-reazzjoni Al–N2. Madankollu, dilwenti tal-fażi solida inevitabbilment inaqqsu r-rendiment tal-prodott. Għalhekk, biex jiżguraw ir-rendiment tal-prodott, ir-riċerkaturi jintroduċu gassijiet bħal Ar u H2. Billi ddilwixxi l-pressjoni parzjali tan-nitroġenu fiż-żona ta 'reazzjoni u titnaqqas il-probabbiltà ta' ħabta tal-molekuli reattivi, dawn il-gassijiet jistgħu jbaxxu b'mod effettiv it-temperatura tar-reazzjoni tal-kombustjoni u l-veloċità tal-propagazzjoni. Madankollu, l-introduzzjoni ta 'H2 tinibixxi l-konverżjoni tar-reazzjoni, li twassal għal żieda fil-kontenut ta' aluminju residwu. Ir-riżultati ta 'hawn fuq jindikaw li ż-żamma tal-karatteristiċi tal-kombustjoni tal-infiltrazzjoni ta' Al-N2 hija essenzjali biex tinkiseb preparazzjoni fuq skala kbira ta 'trab ta' AlN taħt pressjoni ambjentali baxxa / qrib, u tindika d-direzzjoni teknika għall-ottimizzazzjoni tal-proċess relatat.
Temperatura ta' Reazzjoni tal-Kombustjoni
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 sa 2057 K. It-tnaqqis fit-temperatura tal-kombustjoni jrażżan ħafna r-rata ta 'diffużjoni atomika u l-kinetika tat-tkabbir tal-ħbub tal-prodott AlN fiż-żona ta' temperatura għolja, u b'hekk jirfina b'mod effettiv id-daqs tal-qamħ AlN u jtejjeb l-uniformità morfoloġika tiegħu.
Għalkemm it-temperatura adiabatika tas-sistema tibqa 'kostanti hekk kif tiżdied il-pressjoni tan-nitroġenu, it-temperatura tar-reazzjoni tal-kombustjoni togħla. Iż-żieda fit-temperatura tar-reazzjoni tal-kombustjoni ttejjeb il-kapaċità ta 'diffużjoni atomika u ttawwal iż-żmien li l-ħbub iqattgħu fiż-żona ta' temperatura għolja, u b'hekk tippromwovi b'mod sinifikanti t-tkabbir ta 'qamħ AlN, akkumpanjat minn agglomerazzjoni kkawżata minn sinterizzazzjoni bejn il-partiċelli. Din id-differenza toriġina minn żieda fil-fluss molekulari N2 għal kull unità ta 'volum, li ttejjeb id-diffużjoni u l-effiċjenza tat-trasferiment tal-massa tar-reaġenti tal-fażi tal-gass fl-interface tar-reazzjoni. Jista 'jidher li t-temperatura tar-reazzjoni tal-kombustjoni mhix biss parametru ewlieni għaż-żamma tal-mod ta' kombustjoni tal-infiltrazzjoni Al-N2, iżda tirregola wkoll direttament id-distribuzzjoni tad-daqs tal-partiċelli u l-istat tal-agglomerazzjoni tal-partiċelli tal-prodott finali tat-trab AlN.
Addittivi tal-Kombustjoni
L-evoluzzjoni tad-distribuzzjoni ta 'tliet fażijiet ta' trab Al indotta taħt ix-xokk termali temporanju tal-mewġ tal-kombustjoni, inkluż kollass tat-tidwib tal-iskeletru solidu, imblukkar tal-fluss ta 'infiltrazzjoni N2 mill-interface solidu-likwidu, u instabbiltà tal-mewġ tal-kombustjoni kkawżata minn reazzjonijiet tal-fażi tal-gass, tiddetermina kollettivament l-imġieba tan-nukleazzjoni / tkabbir tal-ħbub AlN. Din ir-restrizzjoni iebsa tagħmel iż-żieda in situ ta 'addittivi ta' traċċa waħda mill-mogħdijiet ewlenin biex tirregola d-distribuzzjoni ta 'tliet fażijiet ta' Al.
L-alidi ta 'l-ammonju, bħala l-addittivi l-aktar komunement użati fis-sistema ta' kombustjoni Al–N2, ġeneralment huma maħsuba li jnaqqsu t-temperatura tal-kombustjoni u l-veloċità tal-propagazzjoni permezz ta 'dekompożizzjoni endotermika, filwaqt li l-gassijiet iġġenerati mid-dekompożizzjoni jistgħu jibnu mikrokanali temporanji u jippromwovu infiltrazzjoni N2. Għalkemm għadu ma ġiex stabbilit mekkaniżmu ta 'kontroll tal-morfoloġija universali fil-qasam tas-sinteżi tal-kombustjoni ta' AlN, l-addittivi għadhom rikonoxxuti b'mod wiesa 'bħala metodu għar-regolazzjoni tal-mogħdija tar-reazzjoni tal-kombustjoni li tgħaqqad il-faċilità ta' tħaddim u l-adattabilità tal-inġinerija.