Бързото развитие на технологии като изкуствен интелект, 5G комуникации и нови енергийни превозни средства доведе до непрекъснато увеличаване на плътността на мощността и нивата на интеграция в електронните устройства, което прави "разсейването на топлина" ключов фактор, ограничаващ производителността на устройството. В сравнение с традиционните материали като Al₂O₃, BeO и SiC, AlN (алуминиев нитрид), със своята отлична топлопроводимост, висока механична якост, добро съвпадение на топлинното разширение, химическа стабилност, не-токсичност, ниска диелектрична константа и високо електрическо съпротивление, се превърна в критичен материал за електронни опаковки и управление на топлината. Въпреки това, AlN прахът е склонен към хидролиза при практически приложения. Когато е изложена на влажен въздух, нейната повърхност претърпява необратима реакция с вода, произвеждайки алуминиев хидроксид [Al(OH)3], AlOOH и други продукти. Това води до свободни места за азот, повишена порьозност и съдържание на кислород в последващо синтерованата AlN керамика, значителен спад в топлопроводимостта и дори освобождаване на газ амоняк по време на употреба, което може да засегне околните компоненти (напр. отравяне на платинени катализатори). Следователно намирането на подходящи методи за анти-хидролиза е от решаващо значение за разработването на AlN.
Хидролизно поведение на алуминиев нитрид
Хидролизното поведение на AlN може грубо да се раздели на три характерни етапа:
(1) Индукционен период: -съществуващото аморфно хидроксидно съединение (AHC) на повърхността на AlN се разтваря бавно и рН остава до голяма степен стабилно (с продължителност 17–180 минути при стайна температура; индукционният период изчезва при 90 градуса).
(2) Период на бърза реакция: След като AHC се разтвори, повърхността на AlN е изложена и претърпява бърза хидролиза, за да се образува аморфен AlOOH, който впоследствие се трансформира в кристален бемит (AlOOH). pH се повишава рязко до 9-10.
(3) Период на стабилизиране на продукта: При ниски температури (22–50 градуса), бемитът допълнително се разтваря и прекристализира в байерит (-Al(OH)₃). При високи температури (80–90 градуса) бемитът остава стабилен и не се образува байерит.
Основни фактори, влияещи върху процеса на хидролиза
1. Фактори на околната среда: Средата на околната среда е ключов фактор, определящ продължителността на всеки етап и естеството на продуктите на хидролизата.
(1) Температура: Fukumoto et al. установи, че когато температурата е под 77,85 градуса, крайният продукт на хидролиза е Al(OH)3; над 77,85 градуса, основният продукт е AlOOH. Силните киселини (напр. HCl) или силните основи (напр. NaOH) ускоряват хидролизата, докато умерено силните киселини (напр. H3PO4) могат да инхибират хидролизата чрез образуване на защитен фосфатен слой.
(2) pH: Kocjan установи, че първоначалното pH не променя общата скорост на хидролиза, но при pH=10 периодът на индукция се елиминира (аморфният AHC не може да съществува стабилно при алкални условия). В кисела среда с pH=1–3, H⁺ йони могат да се комбинират с OH⁻ на повърхността на AlN, забавяйки хидролизата.
(3) Атмосфера: Hou et al. изследва високо{2}}температурни среди (1000–1150 градуса) и установи, че тъй като H2O насърчава дифузията навътре на H⁺, тенденцията на хидролиза/окисление на AlN е най-висока в атмосфера Ar–20 vol% H2O, с увеличение на масата от 21,1% след 15 часа. В атмосфера на въздух – 20 об.% H2O, O₂ се конкурира с H2O, което води до увеличение на масата от само 12,0%, което показва, че кислородът потиска хидролизата при висока -температура.
2. Размер на частиците: Проучванията показват, че скоростта на хидролиза на нано-размер AlN е 5–10 пъти по-бърза от тази на субмикронен-размер AlN. Хидролизата започва при повърхностни дефекти като стъпала, демонстрирайки значителното влияние на размера на частиците и повърхностната морфология върху кинетиката на хидролизата.
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 часа), докато индукционният период за AlN, получен чрез директно нитридиране, е само 6 часа.