大气压均匀介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨制备AlN的机理研究

大气压均匀介质阻挡放电等离子体在材料加工中的应用是近年来倍受关注的一个研究热点。由于大气压介质阻挡放电不需要在真空下进行，设备投资和运行费用少，能耗低，能提供更多的活性成分和浓度，使它在材料加工、材料合成等领域具有广阔的应用前景。氮化铝（AlN）是一种重要的陶瓷材料，是大规模集成电路、半导体模块电路和大功率器件的理想封装材料和散热材料。把大气压均匀介质阻挡放电等离子体引入到球磨室内辅助高能球磨制备AlN是一个新的重要方向。本项目拟通过实验、计算机模拟、等离子体诊断和理论分析，深入研究等离子体辅助高能球磨合成AlN微观机理；确定等离子体辅助高能球磨合成AlN的稳定条件；提出可靠控制的等离子体辅助高能球磨高效率制备AlN的指导原则和技术方法；实现等离子体辅助高能球磨制备AlN的稳定运行；获取等离子体辅助球磨制备AlN的关键技术；开发适合于工业化应用的等离子体辅助高能球磨制备纳米粉末的示范样机。

氮化铝(A1N)是一种新型功能陶瓷材料，具有高的热传导性能、良好的电绝缘性能、较低的介电损耗和介电常数、与硅相匹配的热膨胀系数、力学性能接近氧化铝，而且相比于其他没有毒性，使用更安全。氮化铝的应用领域十分广泛，不仅是高集成度半导体基片和电子器件封装的理想材料，而且也在船舶与海洋工程领域的应用日益受到关注。目前常见的AlN粉末的制备方法包括：铝粉直接氮化法、碳热还原法、化学气相沉积法、高温自蔓延法和等离子化学合成法等。工业应用的AlN制备方法主要有直接氮化法和碳热还原法，但这两种方法分别需要在1200℃和1680℃以上的高温条件下完成，对设备要求较高，能耗大、产率低和成本高等缺点。 .本项目的研究目标和研究内容是：设计和优化在大气压下实现大体积介质阻挡等离子体辅助高能球磨制备AlN纳米粉末的工艺方案，通过改变球磨罐内部结构和放电参数等优化放电等离子体辅助球磨工艺，从而细化球磨粉末的颗粒尺寸和激活球磨粉末的反应活性，来达到缩短球磨时间和提高球磨能效以及降低合成反应的温度；重点对比研究了在放电球磨和普通球磨条件下，不同球磨参数对球磨后粉体的形貌、颗粒尺寸、晶格尺寸、晶格畸变、以及相应合成氮化铝的形貌、颗粒尺寸、转化率等的影响。并且详细讨论了离子体辅助高能球磨粉末在碳热还原反应过程中的热力学和动力学行为，以及放电等离子体在高能球磨过程中所起的协同机制作用。.通过对本项目的研究，我们成功的开发了一套适合于工业化应用的大气压大体积的介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨制备超细的AlN纳米粉末的新技术。并且大大降低了碳热还原的合成温度和保温时间，有效的提高了AlN粉末的转化效率。更重要的是直接通过等离子体辅助高能球磨就可以成功获得AlN纳米粉末。在此项目的资助下，共发表国际论文八篇，并申请相应的发明专利。并且为建立大体积放电等离子体辅助高能球磨制备AlN纳米粉末提供可靠的物理与技术设计基础。