Alumīnija nitrīdam (AlN) ir ārkārtīgi augsta teorētiskā siltumvadītspēja (~320 W/(m·K)), lieliska elektriskā izolācija, zemi dielektriskie zudumi un termiskās izplešanās koeficients, kas atbilst pusvadītāju materiāliem. Neatkarīgi no tā, vai AlN ir ideāls materiāls lielas -jaudas mikroshēmu iepakojuma substrātiem, galvenais funkcionāls pildviela siltumvadošās smērēs un gēlos vai precīzi keramikas komponenti, kas darbojas skarbos apstākļos, AlN turpina virzīt darbības robežas. Tomēr AlN pulveris ir ļoti jutīgs pret hidrolīzi, radot skābekli - saturošus piemaisījumus (piemēram, -AlOOH, Al(OH)₃, -Al₂O₃), kas ievērojami samazina pulvera tīrību un pasliktina galaproduktu siltumvadītspēju. Vēl svarīgāk ir tas, ka hidrolīzes produkti tieši kavē AlN keramikas uz ūdens bāzes veidotu formēšanas procesu izstrādi un pielietošanu (piemēram, lentes liešana, želeja). Tāpēc, tā kā AlN pielietojuma scenāriji paplašina-jo īpaši pieaugošā vajadzība pēc saskares ar augsta mitruma vidēm un ūdens sistēmām,{14}}lai uzlabotu AlN pulvera antihidrolīzes stabilitāti, ir kļuvusi par galveno tehnisko vājo vietu, lai nodrošinātu tā izcilo īpašību uzticamu realizāciju.
Alumīnija nitrīda hidrolīzes mehānisms
Augstas tīrības pakāpes AlN pulvera rūpnieciskā ražošana, ko ierobežo pašreizējie ražošanas procesi un jutīgums pret vidi, joprojām ir izaicinājums. Pirmkārt, kad AlN saskaras ar ūdeni, hidroksilgrupas (-OH) no ūdens molekulām mijiedarbojas ar slāpekli (N) un alumīniju (Al) AlN, izjaucot kristāla struktūru un veidojot amorfus starpproduktus (AlOOH) un NH₃. Atbrīvotais NH3 tālāk reaģē ar ūdeni, veidojot amonija (NH₄⁺) un hidroksīda jonus (OH⁻), un eksotermiskais raksturs paaugstina sistēmas temperatūru un sārmainību (pH > 9), veicinot turpmākās reakcijas. Noteiktās temperatūrās un sārmainos apstākļos amorfs AlOOH tālāk reaģē ar ūdeni, veidojot Al(OH)3. Galu galā AlN pilnībā hidrolizējas par Al(OH)₃ un NH3.
Jāatzīmē, ka šis hidrolīzes process neaprobežojas tikai ar tiešu kontaktu starp AlN pulveri un šķidru ūdeni. Pakļaušana gaisam var izraisīt arī hidrolīzi, adsorbējot atmosfēras mitrumu. Turklāt AlN daļiņu virsmas defekti vai citu piemaisījumu klātbūtne ievērojami katalizē hidrolīzes reakciju. Tāpēc ir nepieciešama virsmas modifikācija, lai samazinātu pulvera virsmas ķīmisko aktivitāti pret ūdeni.
Anti-hidrolīzes modifikācijas tehnoloģijas alumīnija nitrīdam
Lai risinātu AlN hidrolīzes problēmu, pastāv divas galvenās modifikācijas stratēģijas: termiskā apstrāde un virsmas modifikācija. Virsmas modifikācijas sīkāk iedala neorganiskās un organiskās pieejās.
01 Termiskā apstrāde
Šī metode ietver AlN pulvera apstrādi augstā temperatūrā noteiktā atmosfērā, kontrolējot skābekļa saturu, temperatūru un oksidācijas laiku, lai uz virsmas izveidotu blīvu Al2O3 plēvi kā fizisku barjeru, tādējādi zināmā mērā uzlabojot pulvera hidrolīzes izturību. Lai gan šī metode ir vienkārša un lēta, tās galvenais trūkums ir tas, ka neizbēgama Al₂O3 fāzes ievadīšana termiskās apstrādes laikā būtiski pasliktina galvenās īpašības, piemēram, galīgās AlN keramikas siltumvadītspēju. Tādējādi tas netiek uzskatīts par ideālu antihidrolīzes ceļu augstas kvalitātes AlN uzglabāšanai un lietošanai.
02 Neorganiskās virsmas modifikācija
Neorganiskās virsmas modifikācijās galvenokārt izmanto neorganiskās skābes, piemēram, H₂SiO3 vai H3PO4, lai aizsargātu AlN, veidojot plānu plēvei līdzīgu slāni uz virsmas, kas nomāc hidrolīzi šķīdumā. Parasti izveidotās plēves šķīdība lielā mērā ietekmē hidrolīzes uzvedību. Piemēram, alumīnija silikātam ir ļoti zema šķīdība gan karstā, gan aukstā ūdenī, savukārt alumīnija fosfātam ir lielāka šķīdība karstā ūdenī. Tāpēc paaugstinātā temperatūrā H2SiO₃ antihidrolīzes efekts ir ievērojami labāks nekā H3PO4. Turklāt šīs modifikācijas efektivitāte ir saistīta ar AlN pulvera daļiņu izmēru. Mazākām daļiņām ir augstāka virsmas aktivitāte un lielāka neorganisko skābju adsorbcijas spēja, kas rada izteiktāku antihidrolīzes efektu. Lielākām daļiņām pārklājuma efekts ir mazāk efektīvs nekā mazām daļiņām, tāpēc priekšroka dodama mazākiem izmēriem. Papildus mazgāšanai ar neorganisko skābi, apstrāde ar Al(H2PO4)3 šķīdumu ļauj fosfātu anjoniem uz AlN daļiņu virsmas izveidot vismaz monoslāni fosfātu, novēršot ūdens iekļūšanu. Tādējādi efektīva antihidrolīzes modifikācijas pieeja ir arī vienas augstas temperatūras Al(H2PO₄)₃ šķīduma apstrādes izmantošana vai apvienošana ar mazgāšanu ar neorganisko skābi. Neorganiski modificēts AlN uzrāda labu hidrolīzes izturību un zemas izmaksas, padarot to par praktisku un daudzsološu apstrādes metodi.
03 Organiskās virsmas modifikācija
Organiskās virsmas modifikācijā parasti tiek izmantotas hidrofobas garās ķēdes organiskās molekulas, lai pārklātu AlN pulvera virsmu vai veiktu in situ polimerizāciju, tādējādi novēršot ūdens molekulu saskari ar AlN virsmu un tādējādi uzlabojot hidrolīzes izturību. Šai pieejai ir vienkārša apstrāde, īss apstrādes laiks un ievērojams modifikācijas efekts, vienlaikus arī zināmā mērā uzlabojot AlN pulvera izkliedējamību šķidrās suspensijās. Parasti izmantotie organiskie modifikatori ietver organiskās karbonskābes un stearīnskābi. Karboksilgrupas šādās organiskajās skābēs var mijiedarboties un reaģēt ar hidroksilgrupām uz AlN virsmas, pārklājot AlN virsmu ar garu organisko ķēdi, kas veido efektīvu ūdensnecaurlaidīgu slāni. Turklāt saistvielas -piedevas, kas uzlabo saskarnes īpašības starp neorganiskiem un organiskiem materiāliem-satur gan hidrofilas, gan hidrofobas grupas. Hidrofobā grupa ķīmiski reaģē ar organiskiem materiāliem vai labi sader ar tiem, savukārt hidrofīlā grupa var veidot ķīmiskas saites ar neorganiskiem materiāliem. Ja to izmanto kā AlN modifikatorus, hidrofilā grupa saistās ar AlN virsmu, savukārt hidrofobā grupa ir pakļauta AlN virsmai, nodrošinot hidrofobitāti un tādējādi novēršot tiešu kontaktu starp ūdeni un AlN virsmu, tādējādi uzlabojot hidrolīzes izturību. Tomēr, tā kā organiskajiem materiāliem parasti ir slikta termiskā stabilitāte, šai tehnikai ir noteikti ierobežojumi.