تجزیه و تحلیل مختصر عوامل هیدرولیز و اقدامات متقابل برای نیترید آلومینیوم

توسعه سریع فناوری‌هایی مانند هوش مصنوعی، ارتباطات 5G و وسایل نقلیه با انرژی جدید منجر به افزایش مداوم چگالی توان و سطوح یکپارچه‌سازی در دستگاه‌های الکترونیکی شده است و «اتلاف گرما» را به یک عامل کلیدی محدودکننده عملکرد دستگاه تبدیل کرده است. در مقایسه با مواد سنتی مانند Al2O3، BeO و SiC، AlN (نیترید آلومینیوم)، با رسانایی حرارتی عالی، استحکام مکانیکی بالا، تطابق انبساط حرارتی خوب، پایداری شیمیایی، سمی نبودن، ثابت دی الکتریک پایین و مقاومت الکتریکی بالا، به یک ماده حیاتی برای مدیریت بسته های الکترونیکی تبدیل شده است. با این حال، پودر AlN در کاربردهای عملی مستعد هیدرولیز است. هنگامی که در معرض هوای مرطوب قرار می گیرد، سطح آن تحت یک واکنش برگشت ناپذیر با آب قرار می گیرد و هیدروکسید آلومینیوم [Al(OH)3]، AlOOH و سایر محصولات تولید می کند. این منجر به خالی شدن نیتروژن، افزایش تخلخل و محتوای اکسیژن در سرامیک های AlN متعاقب متخلخل، کاهش قابل توجهی در هدایت حرارتی و حتی آزاد شدن گاز آمونیاک در حین استفاده می شود که می تواند بر اجزای اطراف تأثیر بگذارد (مثلاً مسمومیت کاتالیزورهای پلاتین). بنابراین، یافتن روش‌های ضد هیدرولیز مناسب برای توسعه AlN بسیار مهم است.

رفتار هیدرولیز نیترید آلومینیوم

رفتار هیدرولیز AlN را می توان تقریباً به سه مرحله مشخصه تقسیم کرد:

(1) دوره القایی: ترکیب هیدروکسید آمورف (AHC) از قبل موجود در سطح AlN به آرامی حل می شود و pH تا حد زیادی ثابت می ماند (در دمای اتاق 17-180 دقیقه طول می کشد؛ دوره القایی در 90 درجه ناپدید می شود).

(2) دوره واکنش سریع: پس از حل شدن AHC، سطح AlN در معرض قرار می گیرد و تحت هیدرولیز سریع قرار می گیرد تا AlOOH آمورف را تشکیل دهد، که متعاقباً به بوهمیت کریستالی (AlOOH) تبدیل می شود. pH به شدت به 9-10 افزایش می یابد.

(3) دوره تثبیت محصول: در دماهای پایین (22-50 درجه)، بوهمیت بیشتر حل می شود و به بایریت ({3}} Al(OH)3) تبدیل می شود. در دماهای بالا (80-90 درجه)، بوهمیت پایدار می ماند و بایریت تشکیل نمی شود.

عوامل کلیدی موثر بر فرآیند هیدرولیز

1. عوامل محیطی: محیط زیست عامل کلیدی تعیین کننده مدت زمان هر مرحله و ماهیت محصولات هیدرولیز است.

(1) دما: فوکوموتو و همکاران. دریافت که وقتی دما زیر 77.85 درجه باشد، محصول هیدرولیز نهایی Al(OH)3 است. بالاتر از 77.85 درجه، محصول اصلی AlOOH است. اسیدهای قوی (مانند HCl) یا بازهای قوی (مانند NaOH) هیدرولیز را تسریع می کنند، در حالی که اسیدهای نسبتاً قوی (مانند H3PO4) می توانند با تشکیل یک لایه فسفات محافظ، هیدرولیز را مهار کنند.

(2) pH: Kocjan دریافت که pH اولیه نرخ کلی هیدرولیز را تغییر نمی دهد، اما در pH=10 دوره القاء حذف می شود (AHC آمورف نمی تواند در شرایط قلیایی به طور پایدار وجود داشته باشد). در محیط‌های اسیدی با pH=1-3، یون‌های H+ می‌توانند با OH- در سطح AlN ترکیب شوند و هیدرولیز را به تاخیر بیندازند.

(3) جو: هو و همکاران. محیط‌های با دمای بالا (1000-1150 درجه) را مورد مطالعه قرار داد و دریافت که از آنجایی که H2O باعث انتشار H+ به داخل می‌شود، تمایل هیدرولیز/اکسیداسیون AlN در اتمسفر Ar-20 vol% H2O با افزایش جرمی 21.1% پس از 15 ساعت، بالاترین میزان است. در اتمسفر H2O با 20 درصد حجمی، O2 با H2O رقابت می‌کند که منجر به افزایش جرم تنها 12.0 درصد می‌شود که نشان می‌دهد اکسیژن هیدرولیز در دمای بالا را سرکوب می‌کند.

2. اندازه ذرات: مطالعات نشان داده است که سرعت هیدرولیز AlN با اندازه نانو-5 تا 10 برابر سریعتر از AlN با اندازه زیر میکرونی است. هیدرولیز در عیوب سطحی مانند مراحل شروع می شود و تأثیر قابل توجه اندازه ذرات و مورفولوژی سطح بر سینتیک هیدرولیز را نشان می دهد.

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 ساعت)، در حالی که دوره القایی برای AlN تهیه شده توسط نیتریداسیون مستقیم تنها 6 ساعت است.