Dezvoltarea rapidă a tehnologiilor precum inteligența artificială, comunicațiile 5G și vehiculele cu energie nouă a condus la creșterea continuă a densității puterii și a nivelurilor de integrare în dispozitivele electronice, făcând „disiparea căldurii” un factor cheie care limitează performanța dispozitivului. În comparație cu materialele tradiționale precum Al₂O₃, BeO și SiC, AlN (nitrură de aluminiu), cu conductivitate termică excelentă, rezistență mecanică ridicată, potrivire bună a expansiunii termice, stabilitate chimică, non{2}}toxicitate, constantă dielectrică scăzută și rezistivitate electrică ridicată, a devenit un material critic pentru ambalarea electronică și managementul termic. Cu toate acestea, pulberea de AlN este predispusă la hidroliză în aplicații practice. Când este expusă la aer umed, suprafața sa suferă o reacție ireversibilă cu apa, producând hidroxid de aluminiu [Al(OH)₃], AlOOH și alte produse. Acest lucru duce la goluri de azot, porozitate crescută și conținut de oxigen în ceramica AlN sinterizată ulterior, o scădere semnificativă a conductibilității termice și chiar eliberarea de amoniac gazos în timpul utilizării, care poate afecta componentele din jur (de exemplu, otrăvirea catalizatorilor de platină). Prin urmare, găsirea unor metode adecvate de anti-hidroliză este crucială pentru dezvoltarea AlN.
Comportamentul la hidroliză a nitrurii de aluminiu
Comportamentul la hidroliză al AlN poate fi împărțit aproximativ în trei etape caracteristice:
(1) Perioada de inducție: compusul hidroxid amorf (AHC) preexistent de pe suprafața AlN se dizolvă lent, iar pH-ul rămâne în mare parte stabil (durand 17-180 de minute la temperatura camerei; perioada de inducție dispare la 90 de grade).
(2) Perioada de reacție rapidă: După ce AHC se dizolvă, suprafața AlN este expusă și suferă o hidroliză rapidă pentru a forma AlOOH amorf, care ulterior se transformă în boehmită cristalină (AlOOH). pH-ul crește brusc la 9-10.
(3) Perioada de stabilizare a produsului: la temperaturi scăzute (22-50 grade), boehmita se dizolvă și se recristalizează în bayerită (-Al(OH)₃). La temperaturi ridicate (80-90 grade), boehmita rămâne stabilă și nu se formează bayerită.
Factori cheie care influențează procesul de hidroliză
1. Factori de mediu: Mediul de mediu este un factor cheie care determină durata fiecărei etape și natura produselor de hidroliză.
(1) Temperatura: Fukumoto et al. a constatat că atunci când temperatura este sub 77,85 grade, produsul final de hidroliză este Al(OH)₃; peste 77,85 grade, produsul principal este AlOOH. Acizii puternici (de exemplu, HCI) sau bazele tari (de exemplu, NaOH) accelerează hidroliza, în timp ce acizii puternici (de exemplu, H3PO4) pot inhiba hidroliza prin formarea unui strat protector de fosfat.
(2) pH: Kocjan a descoperit că pH-ul inițial nu modifică viteza generală de hidroliză, dar la pH=10 perioada de inducție este eliminată (AHC amorf nu poate exista stabil în condiții alcaline). În mediile acide cu pH=1–3, ionii H⁺ se pot combina cu OH⁻ pe suprafața AlN, întârziind hidroliza.
(3) Atmosferă: Hou și colab. a studiat mediile cu temperatură ridicată (1000–1150 grade ) și a constatat că, deoarece H₂O promovează difuzia în interior a H⁺, tendința de hidroliză/oxidare a AlN este cea mai mare într-o atmosferă de Ar–20 vol% H₂O, cu o creștere a masei de 21,1% după 15 ore. Într-o atmosferă de aer – 20% vol% H₂O, O₂ concurează cu H₂O, rezultând o creștere a masei de numai 12,0%, ceea ce indică faptul că oxigenul suprimă hidroliza-la temperatură ridicată.
2. Dimensiunea particulelor: studiile au arătat că rata de hidroliză a AlN de dimensiune nano-este de 5-10 ori mai rapidă decât cea a AlN de dimensiune submicron-. Hidroliza inițiază la defecte de suprafață, cum ar fi trepte, demonstrând influența semnificativă a dimensiunii particulelor și a morfologiei suprafeței asupra cineticii hidrolizei.
3. Preparation process: Currently, the industrial production of AlN powder is dominated by carbothermal reduction and direct nitridation methods. Li et al. found that AlN prepared by carbothermal reduction has a stable γ-Al₂O₃ layer on its surface, resulting in the longest induction period (>24 h), în timp ce perioada de inducție pentru AlN preparat prin nitrurare directă este de numai 6 ore.