질화알루미늄(AlN) 분말의 표면 개질

질화알루미늄(AlN)는 화학식 AlN을 사용하여 [AlN으로 구성된 공유 결합 질화물입니다.₄] 사면체를 구조 단위로 사용합니다. 육각형 결정계에 속하며 저분자량, 강한 원자결합, 단순한 결정 구조 등의 특성을 가지고 있습니다.구조 및 높은 격자 진동 조정.

AlN은 고유한 결정 매개변수로 인해 높은 열 전도성, 고강도, 높은 체적 저항률, 높은 절연 내압, 낮은 유전 손실 및 실리콘과 일치하는 열팽창 계수 등 우수한 특성을 나타냅니다. 이러한 특성으로 인해 AlN은 열 전도성이 높은 세라믹 전자 기판 및 포장 재료에 이상적인 재료입니다. 종종 가장 이상적인 전자 기판 재료로 간주됩니다.

팁 1: AlN의 열전도도 및 기타 응용

AlN 단결정의 이론적 열전도율은 320W/(m·K)인 반면, 다결정 AlN 세라믹의 열전도율은 140~200W/(m·K)로 기존 수지 기판의 약 10배입니다. 및 알루미나 세라믹. 또한, AlN은 직접적인 밴드갭 구조를 갖고 있어 이론적으로 심자외선부터 심적외선까지 광범위한 파장에 걸쳐 빛을 방출할 수 있습니다. GaN 기반 발광 다이오드, 전계 효과 트랜지스터 및 기타 장치에 없어서는 안될 재료입니다.

1. 표면을 수정하는 이유 질화알루미늄 분말?

AlN 분말의 표면은 반응성이 높아 공기 중의 수분과 쉽게 반응합니다. AlN은 초기에 비정질 AlOOH 상으로 변환되며, 이는 추가로 Al(OH)로 변환될 수 있습니다.₃ 특정 온도, pH 및 이온 활동 조건에서. 이로 인해 Al(OH)이 생성됩니다.₃ 또는 분말 표면에 AlOOH(수산화알루미늄) 막을 형성합니다. 산소 함량의 증가는 AlN 세라믹의 열전도도를 크게 감소시킵니다. 이러한 특성으로 인해 AlN 분말의 취급, 보관, 운송 및 후처리가 문제가 될 수 있습니다.

팁 2: 질화알루미늄 분말의 제조 방법

고순도, 세립, 좁은 분포의 AlN 분말을 제조하는 주요 방법으로는 알루미늄 분말의 직접 질화, 산화알루미늄의 탄소열 환원, 자기 전파 고온 합성(SHS), 화학 기상 증착(CVD) 등이 있습니다. , 고에너지 볼밀링. 산업 생산은 주로 처음 두 가지 방법을 사용하는 반면 다른 방법은 주로 실험 연구에 사용됩니다.

팁 3: AlN 분말의 가수분해 정도를 결정하는 방법

AlN 분말의 가수분해 정도는 상 변화를 알아보기 위한 X선 회절(XRD) 분석, 가수분해 전과 후의 AlN 분말 입자 형태 변화를 관찰하기 위한 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM)을 통해 제품의 결정 구조를 분석합니다. 또한, 가수분해 중에 생성된 암모니아 가스를 모니터링하여 가수분해 정도를 결정할 수 있으며, 이로 인해 NH가 형성됩니다.₄⁺ 그리고 아⁻ 이온이 발생하여 용액의 pH가 변합니다.

또한, '세라믹 기판의 왕'으로 불리는 AlN 기반 세라믹 기판의 주요 성형 방법은 슬립 캐스팅 공법입니다. 이 방법은 효율적이고 비용 효율적입니다. 그러나 AlN 분말의 가수분해는 AlN 세라믹의 수성 슬립 캐스팅 공정 개발을 심각하게 방해합니다. 비수성 슬립 캐스팅 방법은 실행 가능하지만 비용이 많이 들고 샘플의 균일성이 떨어지며 환경 오염을 유발하는 유기 증기를 생성합니다.

또한, 열전도성 플라스틱 및 열전도성 접착제와 같은 AlN의 새로운 응용 분야에는 향상된 내가수분해성, 유기 물질과의 호환성 및 낮은 인터페이스 열 저항을 갖춘 AlN 분말이 필요합니다.

따라서, AlN 분말의 내가수분해성 및 안정성 AlN 분말의 표면 개질 방법 연구에서 뜨거운 주제가 되었습니다. 다음은 AlN의 표면 개질 방법을 간략하게 살펴보겠습니다.

2. 질화알루미늄의 표면개질 방법 (AlN)

AlN 분말의 표면 개질 기술은 다양하며, 분말 표면에 물리적 흡착이나 화학적 처리를 수행하는 것이 기본 원리입니다. 이로 인해 AlN 입자가 코팅되거나 얇은 반응층이 형성되어 AlN 분말이 물과 상호작용할 때 가수분해되는 것을 방지합니다. 주요 방법으로는 코팅 개질, 표면 화학적 개질, 열처리 등이 있습니다.

1. AlN의 코팅 개질 방법

코팅 개질은 오랫동안 적용되어 온 전통적인 방법입니다. 여기에는 AlN 분말을 무기 또는 유기 화합물로 코팅하여 입자 응집을 줄이거나 보호하는 작업이 포함됩니다. 또한, 코팅은 입체 장애를 발생시켜 입자가 재응집하는 것을 어렵게 만들어 표면 개질을 달성합니다. 코팅에 사용되는 개질제는 계면활성제, 무기물, 분산제 등이 있습니다.

에이. 계면활성제법

계면활성제 변형은 AlN 입자의 표면 전하 특성에 따라 달라집니다. 양이온 또는 음이온 계면활성제를 첨가함으로써 분말 분산계(기액, 고액) 사이의 계면 장력이 변화되고, 탄소-산소 사슬이 바깥쪽으로 뻗어 있는 분말 표면에 코팅층이 형성됩니다. 계면활성제의 친수성 그룹은 고체 표면에 흡착되어 화학 반응성을 변경하고 표면 장력을 낮춰 나노물질의 친수성, 친유성 및 표면 활성을 제어할 수 있습니다. 이 공정은 분말의 표면 특성을 변경하거나 분말에 새로운 특성을 부여합니다.

이는 세 가지 측면에 반영됩니다.

친수성 그룹은 표면 그룹과 반응하여 새로운 구조를 형성하여 분말 표면에 새로운 활성을 제공합니다.

표면 에너지가 감소하면 분말이 안정화됩니다.

계면활성제의 소수성 그룹은 표면에 입체 장애를 형성하여 분말의 재응집을 방지함으로써 다양한 매체에서 나노물질의 분산을 향상시킵니다.

예: Guo Xingzhong 외 연구진의 연구 유기 카르복실산과 폴리에틸렌 글리콜로 개질된 AlN 분말은 48시간 동안 물에 담근 후 Al(OH)3 상이 눈에 띄지 않는다는 것을 발견했습니다. 이는 유기 카르복실산이 AlN 분말의 표면을 코팅하여 물 분자가 침식되는 것을 방지한다는 것을 나타냅니다. AlN 분말 표면.

비. 무기 코팅 수정

AlN 분말의 무기 표면개질은 무기화합물이나 금속을 표면에 특정한 방법으로 증착시켜 코팅막이나 코어-쉘 복합입자를 형성함으로써 표면특성을 향상시키는 공정입니다. 물리적 또는 화학적 흡착 원리를 활용하여 코팅 물질이 코팅 대상물에 균일하게 부착되어 연속적이고 완전한 코팅층을 형성하는 공정입니다. 변형된 분말의 표면은 코팅 재료의 특성을 나타냅니다.

기음. 분산제 방법

전통적인 계면활성제와 유사한 양친매성 구조를 갖는 분산제는 고정 그룹과 용매화된 사슬을 사용하여 계면활성제의 친수성 및 소수성 그룹을 대체합니다. 고정 그룹은 단일 또는 다중 지점에서 이온 결합, 공유 결합, 수소 결합 또는 반 데르 발스 힘을 통해 입자 표면에 강력하게 흡착될 수 있습니다. 용매화된 사슬은 중합체 단량체를 변화시키거나 분산 매질과의 상용성을 조절하기 위해 공중합체 조성을 조정함으로써 선택됩니다. 추가적으로, 용매화된 사슬의 분자량을 증가시키면 입자 표면에 충분히 두꺼운 공간층이 형성됩니다.

분산제를 선택할 때 두 가지 주요 요소가 고려됩니다.

분산매의 극성과 분산제의 용매화된 사슬에 대한 용해도. 일반적으로, 용매화된 사슬을 용해하는 능력은 높고 고정 그룹을 용해하는 능력은 낮은 배지가 바람직합니다.

분산될 입자의 표면 극성, 표면 작용기 및 산-염기 특성. 극성이 낮은 입자에는 여러 고정 그룹이 있는 분산제가 필요합니다. 다양한 작용기에는 다양한 반응성과 상호 작용 방법이 있으며, 입자 표면의 흡수 부위는 산-염기 특성을 기반으로 고정 그룹을 선택할 수 있습니다.

표면 화학적 변형

표면 화학적 개질은 표면 개질제와 입자 표면 사이의 화학 반응 또는 흡착을 통해 수행됩니다. 폴리머 장쇄는 분말 표면에 접목되고 폴리머에 친수성 그룹을 포함하는 장쇄는 확장되어 수성 매질에서 입체 장벽을 형성합니다. 이는 정전기적 반발력뿐만 아니라 매우 효과적인 입체 장애에 의존하여 매체 내 AlN 분말을 분산 및 안정화하는 데 도움이 됩니다.

표면 개질제의 선택은 입자의 표면 에너지를 낮추고 표면 전하를 제거하며 표면 인력을 줄이는 것을 목표로 해야 합니다. 우수한 표면 개질을 달성하기 위해 개질에 사용되는 유기 물질은 입자와의 최대 습윤 정도를 제공하여 균일하고 조밀한 코팅을 형성해야 합니다. 이는 주로 입자 표면에 있는 유기 개질제의 물리적, 화학적 흡착에 따라 달라집니다. 물리적 흡착은 반 데르 발스 힘, 정전기적 인력 및 개질제와 입자 사이의 기타 물리적 상호 작용을 통해 발생합니다. 화학적 흡착은 입자 표면의 작용기와 개질제 사이의 반응에 의존하여 계면활성제에 의한 입자의 표면 코팅을 달성합니다.

AlN 분말의 표면 코팅을 위한 열분사 방법

AlN 입자의 표면 특성은 유기 매트릭스의 표면 특성과 크게 다르며 일반적인 표면 화학 변형제(예: 유기실리콘, 티타네이트 및 알루미네이트)를 사용하여 AlN 표면을 변형하여 매트릭스와의 호환성을 높입니다. 처리 후, 분말은 물에 젖지 않는 강한 특성을 나타냅니다. 젖지 않는 특성을 지닌 이 작은 입자는 가라앉지 않고 유막처럼 물에 떠 있습니다. 이러한 현상을 바탕으로 소수성의 정도를 특성화하기 위해 활성화 지수가 사용됩니다. 활성화 지수가 높을수록 소수성이 우수함을 나타내고, 지수가 낮을수록 소수성이 좋지 않음을 나타냅니다. 개질되지 않은 나노-AlN 분말이 친수성이 강한 경우 물과 접촉하면 완전히 가라앉아 활성화 지수 R = 0이 됩니다. 활성화 지수 R은 샘플의 부유 부분의 질량을 전체로 나눈 값으로 정의됩니다. 샘플의 질량.

AlN의 커플링제 변형

커플링제는 무기 입자의 표면과 반응할 수 있는 극성기와 유기 물질과 반응하거나 상용할 수 있는 유기 관능기를 모두 포함하는 화합물입니다. 커플링제의 역할은 한쪽 끝은 분말 표면에 결합하고 다른 쪽 끝은 분산 매체와 강력하게 상호 작용할 수 있다는 것입니다. 이는 AlN 분말과 폴리머 재료의 친화력을 향상시켜 폴리머 매트릭스에서 분말의 분산을 촉진합니다.

일반적인 커플링제에는 다음 유형이 포함됩니다.

a) 실란 커플링제: 유기 실란 커플링제는 가장 일반적으로 사용되고 널리 적용되는 커플링제입니다. 일반적인 구조식은 Y-(CH2CH2-Si)-X3이며, 여기서 n은 일반적으로 2-3입니다. 이 구조에서 Y는 비닐, 메타크릴옥시, 에폭시, 아미노 또는 소수성 그룹과 같은 유기 관능기이고 X는 규소 원자에 결합된 관능기입니다. 실란 커플링제는 가수분해된 실란, 퍼옥시실란 및 폴리실란과 같은 유형을 포함하는 X 그룹을 기준으로 분류되는 경우가 많습니다.

b) 티타네이트 에스테르 커플링제: 이 커플링제는 1970년대 중반 Kenrich Petroleum Company에서 개발한 새로운 유형입니다. 이는 많은 무기 입자에 대해 우수한 변형 효과를 나타냅니다.

c) 알루미네이트 에스테르 커플링제: 알루미네이트 에스테르 커플링제는 새로운 종류의 커플링제입니다.

b) 소수화 처리: 소수화 처리는 AlN 분말의 표면을 둘러싸는 소수성 그룹(예: 장쇄 알킬, 지방족 탄화수소 또는 사이클로알킬 그룹)을 갖는 유기 물질을 선택하는 것을 포함합니다. 이러한 소수성 그룹은 분말 표면에 단단히 결합되어 강한 소수성을 갖게 됩니다.

c) 표면 그래프팅 개질: 표면 그래프팅 중합은 고분자 폴리머를 AlN 분말의 표면에 연결하는 화학적 방법으로, 유기 용매 또는 폴리머 매트릭스에서 입자의 분산을 크게 향상시킵니다.

d) 무기산 개질: 인산이나 인산이수소와 같은 무기산을 사용하여 AlN 분말의 표면을 처리합니다. 이 처리는 AlN의 내가수분해성을 향상시킬 뿐만 아니라 분말의 분산도 향상시킵니다. AlN의 현탁 안정성과 시간 간의 관계는 물론 물 속에서의 AlN의 안정성도 사용되는 특정 무기산에 따라 달라집니다.

열처리 방법

열처리 방법은 분말을 가열하여 표면에 산화를 유도하고 치밀한 알루미나 보호막을 형성하여 내가수분해성을 높이는 방법입니다. Li Yawei와 다른 연구자들은 공기 중 700~1050°C의 온도 범위에서 질화알루미늄(AlN)의 내가수분해성에 대한 열처리의 효과를 연구했습니다. 그들은 AlN이 공기 중 700°C에서 산화되기 시작했고, 온도가 증가함에 따라 더 많은 산화가 일어나는 것을 발견했습니다. 1050°C에서 AlN은 완전히 산화되었습니다. 열처리 후, AlN 분말의 내가수분해성은 온도에 의존하고 수온이 증가함에 따라 저항이 감소하는 것으로 나타났습니다.

기타 수정 방법

고에너지 처리, 초음파, 캡슐화 등 여러 가지 다른 수정 방법이 있으며 이는 AlN 분말의 표면을 수정하는 데에도 사용할 수 있습니다. 일반적으로 이러한 방법을 다른 방법과 결합하면 더 나은 표면 수정 결과를 얻을 수 있습니다.

영향을 미치는 요인 AlN 분말의 표면 개질

온도, 시간, 사용된 개질제의 양 등 여러 요인이 AlN 분말의 표면 개질에 영향을 미칩니다. 개질제는 나노분말의 표면 그룹과 상호작용하여 개질을 달성하는 방식으로 작동합니다. 그러나 개질제의 화학 구조와 분자 사슬의 길이는 폴리머 매트릭스 내 나노 분말의 분산에 영향을 미칠 수 있습니다. 개질제의 분자량은 표면 개질에 중요한 영향을 미칩니다. 분자량이 너무 낮으면 코팅층이 얇아져 충분한 입체 장애를 제공할 수 없어 개질된 분말의 분산이 불량해집니다. 반면, 고분자량 개질제는 그림 4에 표시된 것처럼 표면에 더 두꺼운 코팅을 형성하여 유기 매트릭스와 더 잘 상호 작용할 수 있습니다.

AlN 분말의 표면을 개질하기 위해 실란 커플링제를 사용할 때 커플링제와 분말 사이의 반응을 가속화하기 위해 소량의 무수 에탄올이나 기타 용매를 첨가하는 경우가 많습니다. 그러나 용매의 유무는 AlN 분말과 커플링제 사이의 상호 작용에 영향을 미칠 수 있습니다.

참고: 바이두 웬쿠(Baidu Wenku)