中国粉体网讯 近些年，日本东洋炭素公司的研究人员一直在研究氮化铝的燃烧合成。他们成功制备出松散、无团聚的氮化铝粉体。在该工艺中，将原始铝粉与适量通过燃烧合成预制的氮化铝粉体混合，以降低反应温度。混合物被置于石墨托盘中，通过向碳加热器通入数十安培的短时电流引发氮化反应。整个反应在充满氮气、压力低于1MPa的高压反应腔中进行，所得氮化铝随后根据应用需求，采用常规方法进行粉碎和分级。
从装料到冷却后取出产品，整个工艺过程不超过两小时。分析表明，与传统氮化铝制备工艺相比，该燃烧合成方法的成本降低了约30–50%。鉴于这种新型燃烧合成方法的优势与效益，氮化铝的生产已通过与上海东洋炭素有限公司的联合创业项目启动。
氮化铝(AlN)因其具有高热导率、优异绝缘性、低介电常数、与硅(Si)匹配的热膨胀系数、环境友好等特性，成为电子封装陶瓷基板的首选材料，可有效解决高功率器件散热、热应力失配等难题，广泛应用于第5代移动通信技术(5G)、新能源汽车与航空航天等关键领域。
氮化铝粉体合成方法
氮化铝粉体的主要合成方法包括：直接氮化法和碳热还原法。
直接氮化法是将铝粉置于氮气中，并加热至高温，该方法的优点是原料丰富、工艺简单、没有副反应，比较适合于工业化生产。
碳热还原法是以氧化铝粉和碳粉为原料，混料均匀后，在1600~1800℃高温下流动氮气气氛中还原氮化生成氮化铝。目前大部分商业氮化铝粉体是用碳热还原法制备的，该方法生产的氮化铝粉末具有纯度高、球形度好、易于烧结和稳定性强等优点。
除了传统的铝粉直接氮化法和碳热还原法之外，燃烧合成法(CS)利用铝粉与氮气的自蔓延放热反应高效合成AlN粉体，克服了当前AlN粉体主流制备工艺复杂、能耗高的弊端，具有流程简单、低能耗、生产周期短等显著优势，在规模化制备AlN粉体方面展现巨大潜能，值得业界高度关注与期待。
燃烧合成法制备氮化铝粉体研究进展
燃烧合成技术自苏联Merzhanov团队提出以来，该技术可以制备出多种材料并实现了工业化生产，尤其在陶瓷粉体、金属间化合物、陶瓷涂层等方面具有自身的特点和优势。
燃烧合成氮化铝可以认为是铝粉直接氮化的一种扩展方法。在该方法中，铝粉在高压氮气中进行反应，反应速度快，反应过程中Al和氮气反应产生的热量能够使反应自动维持，直到反应结束。在铝粉表面形成的氮化铝层可能因为反应的剧烈进行而产生破裂，暴露出的新鲜表面可以继续反应。该方法速度快、效率高，得到了极大的关注。虽然其本质与铝粉直接氮化法相同，但该法不需要使用外部能量维持铝粉氮化需要的高温环境，只需要在反应开始阶段将其点燃，因此可以极大地降低能耗。
而燃烧合成方法最大的问题是在Al–N2气固燃烧过程中，若仅依靠反应区孔隙内的N2就能反应完全，则所需N2压力达数千大气压。因此，早期燃烧合成AlN粉体多采用超高压合成。其中，N2压力最高可达310 MPa。而高压反应条件固有的严苛性对设备技术规格要求很高，且风险系数很大，严重制约其规模化的应用与发展。
对此，后续的研究工作多聚焦于燃烧工艺过程优化，本质上是定向调控Al–N2界面能质传递过程，通过燃烧波结构参数（燃烧温度、蔓延速度等）的协同优化，建立其与产物特征（微观形貌、粒径分布、纯度等）的关联机制。
维持Al–N2渗透燃烧特征
反应区内气体消耗引发局部压降，由此产生的气压梯度驱动N2自发向反应区定向渗透，但燃烧波前沿预热效应会引发Al颗粒熔融聚并形成扩散屏障。为维持Al–N2渗透燃烧特征，需平衡Al–N2反应热力学与界面动力学，抑制过量Al熔体生成，规避孔隙通道阻塞与反应界面坍缩。惰性稀释剂可显著提高燃烧反应体系的热容，通过吸热效应增强能量耗散并削弱反应动力学活性，使燃烧反应的峰值温度显著降低且燃烧波蔓延速度明显减缓。
目前，采用固相稀释剂策略，已在低压/近常压条件下实现了铝粉的高效完全氮化，成为突破Al–N2反应界面控制的关键路径，但固相稀释剂不可避免地会导致产物收率降低。因此，研究人员为保证产物收率，引入Ar、H2等气体，通过稀释反应区的氮气分压，降低反应物分子碰撞概率，可有效降低燃烧反应温度和蔓延速度，但H2的引入会抑制反应转化率，导致残余铝含量增加。上述结果表明，维持Al–N2渗透燃烧特征是实现在低/近常压条件下规模化制备AlN粉体的关键，这为相关工艺优化指明了技术方向。
燃烧反应温度
在渗透燃烧框架下，调控反应物铝粉含量和氮气压力是最直接且可控的工艺手段。研究表明，铝粉含量从60%（摩尔分数）降至40%时（稀释剂含量从40%增至 60%），体系绝热温度由4120K显著降至2890K，最高燃烧反应温度从＞2573K降至2057K。燃烧温度的降低大幅抑制了产物AlN晶粒在高温区的原子扩散速率和生长动力学，进而有效细化了AlN晶粒尺寸并改善了其形貌均匀性。
尽管氮气压力升高，体系绝热温度维持恒定，却导致燃烧反应温度升高。燃烧反应温度的提高，增强了原子的扩散能力并延长了晶粒处于高温区的时间，从而显著促进了AlN晶粒的长大过程，并伴随因颗粒间烧结而引发的团聚现象，这种差异源于单位体积内N2分子通量增加，增强了反应界面处气相反应物的扩散传质效率。可见，燃烧反应温度不仅是维持Al–N2渗透燃烧模式的核心参数，同时也直接调控最终产物AlN粉体的粒径分布及其颗粒团聚状态。
燃烧助剂
在燃烧波瞬态热冲击下诱发的Al粉三相分布演化，包括固相骨架的熔融坍塌、固–液界面对N2渗透通量的阻塞、以及气相反应引发的燃烧波失稳等，这些动态过程共同决定了AlN晶粒的形核/生长行为。这一硬性约束使得原位添加微量助剂成为调控Al三相分布的关键路径之一。卤化铵作为Al–N2燃烧体系最常用的助剂，普遍认为其可通过吸热分解特性降低燃烧温度及蔓延速度，同时分解产生的气体能够构筑瞬态微通道，促进N2渗透。尽管当前燃烧合成AlN领域尚未建立普适性的形貌调控机制，但助剂仍被公认为是调控燃烧反应路径兼具操作简易性与工程适配性的方法。
小结
历经数十年研究，当前燃烧合成AlN粉体技术已成功实现从超高压到低/近常压合成的工艺跨越，对Al–N2燃烧反应过程也有了相对比较系统的认知。然而，该技术至今尚未实现大规模工业化普及。相较于国际先进水平，我们亟须深化对Al–N2燃烧界面反应机制的认知。
来源：
鲁楠等：燃烧合成氮化铝粉体研究进展
曹冲：氮化铝燃烧合成的过程优化及其生长机理研究
冯关正等：氮化铝粉体工程的研究进展
Advanced Ceramics
（中国粉体网编辑整理/空青）
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