De snelle ontwikkeling van technologieën zoals kunstmatige intelligentie, 5G-communicatie en nieuwe energievoertuigen heeft geleid tot een voortdurend toenemende vermogensdichtheid en integratieniveaus in elektronische apparaten, waardoor ‘warmtedissipatie’ een sleutelfactor is die de prestaties van apparaten beperkt. Vergeleken met traditionele materialen zoals Al₂O₃, BeO en SiC is AlN (aluminiumnitride), met zijn uitstekende thermische geleidbaarheid, hoge mechanische sterkte, goede thermische uitzettingsaanpassing, chemische stabiliteit, niet-toxiciteit, lage diëlektrische constante en hoge elektrische weerstand, een cruciaal materiaal geworden voor elektronische verpakkingen en thermisch beheer. AlN-poeder is echter in praktische toepassingen gevoelig voor hydrolyse. Bij blootstelling aan vochtige lucht ondergaat het oppervlak een onomkeerbare reactie met water, waarbij aluminiumhydroxide [Al(OH)₃], AlOOH en andere producten ontstaan. Dit leidt tot stikstofvacatures, verhoogde porositeit en zuurstofgehalte in vervolgens gesinterde AlN-keramiek, een aanzienlijke daling van de thermische geleidbaarheid en zelfs het vrijkomen van ammoniakgas tijdens gebruik, wat omliggende componenten kan aantasten (bijvoorbeeld het vergiftigen van platinakatalysatoren). Daarom is het vinden van geschikte anti-hydrolysemethoden cruciaal voor de ontwikkeling van AlN.
Hydrolysegedrag van aluminiumnitride
Het hydrolysegedrag van AlN kan grofweg in drie karakteristieke fasen worden verdeeld:
(1) Inductieperiode: de reeds- bestaande amorfe hydroxideverbinding (AHC) op het AlN-oppervlak lost langzaam op en de pH blijft grotendeels stabiel (duurt 17-180 minuten bij kamertemperatuur; de inductieperiode verdwijnt bij 90 graden).
(2) Snelle reactieperiode: Nadat de AHC is opgelost, wordt het AlN-oppervlak blootgesteld en ondergaat het een snelle hydrolyse om amorf AlOOH te vormen, dat vervolgens wordt omgezet in kristallijn boehmiet (AlOOH). De pH stijgt scherp naar 9–10.
(3) Productstabilisatieperiode: Bij lage temperaturen (22–50 graden) lost boehmiet verder op en herkristalliseert het tot bayeriet (-Al(OH)₃). Bij hoge temperaturen (80-90 graden) blijft boehmiet stabiel en vormt zich geen bayeriet.
Sleutelfactoren die het hydrolyseproces beïnvloeden
1. Omgevingsfactoren: Het omgevingsmedium is een sleutelfactor die de duur van elke fase en de aard van de hydrolyseproducten bepaalt.
(1) Temperatuur: Fukumoto et al. ontdekte dat wanneer de temperatuur lager is dan 77,85 graden, het uiteindelijke hydrolyseproduct Al(OH)3 is; boven 77,85 graden is het belangrijkste product AlOOH. Sterke zuren (bijv. HCl) of sterke basen (bijv. NaOH) versnellen de hydrolyse, terwijl matig sterke zuren (bijv. H₃PO₄) de hydrolyse kunnen remmen door een beschermende fosfaatlaag te vormen.
(2) pH: Kocjan ontdekte dat de initiële pH de algehele hydrolysesnelheid niet verandert, maar bij pH=10 wordt de inductieperiode geëlimineerd (amorfe AHC kan niet stabiel bestaan onder alkalische omstandigheden). In zure omgevingen met een pH=1–3 kunnen H⁺-ionen zich combineren met OH⁻ op het AlN-oppervlak, waardoor de hydrolyse wordt vertraagd.
(3) Sfeer: Hou et al. bestudeerde omgevingen met hoge- temperaturen (1000–1150 graden) en ontdekte dat, omdat H₂O de naar binnen gerichte diffusie van H⁺ bevordert, de neiging tot hydrolyse/oxidatie van AlN het hoogst is in een Ar–20 vol% H₂O-atmosfeer, met een massatoename van 21,1% na 15 uur. In een lucht-20 vol% H₂O-atmosfeer concurreert O₂ met H₂O, wat resulteert in een massatoename van slechts 12,0%, wat aangeeft dat zuurstof hydrolyse bij hoge temperaturen onderdrukt.
2. Deeltjesgrootte: Studies hebben aangetoond dat de hydrolysesnelheid van AlN van nano-grootte 5-10 keer sneller is dan die van AlN van submicron-grootte. Hydrolyse begint bij oppervlaktedefecten zoals stappen, wat de significante invloed van de deeltjesgrootte en oppervlaktemorfologie op de hydrolysekinetiek aantoont.
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 uur), terwijl de inductieperiode voor AlN bereid door directe nitridatie slechts 6 uur bedraagt.