窒化アルミニウム (AlN) 粉末の表面改質

窒化アルミニウム（AlN）化学式 AlN を持つ、[AlN] からなる共有結合窒化物です。₄] 構造単位としての四面体。六方晶系に属し、低分子量、強い原子結合、単純な結晶構造などの特徴を持っています。、高格子振動調整。

AlN は、その独特な結晶パラメータにより、高熱伝導率、高強度、高体積抵抗率、高絶縁耐電圧、低誘電損失、シリコンに匹敵する熱膨張係数などの優れた特性を示します。これらの特性により、AlN は高熱伝導性セラミック電子基板およびパッケージング材料として理想的な材料となります。最も理想的な電子基板材料と考えられています。

ヒント 1: AlN の熱伝導率とその他の応用

AlN単結晶の理論熱伝導率は320W/(m・K)であるのに対し、多結晶AlNセラミックスの熱伝導率は140～200W/(m・K)と、従来の樹脂基板の約10倍となります。そしてアルミナセラミックス。さらに、AlN は直接バンドギャップ構造を持ち、理論的には深紫外から深赤外までの幅広い波長にわたって光を放射できます。 GaN系発光ダイオードや電界効果トランジスタなどには欠かせない材料です。

1. なぜ表面を修正するのか 窒化アルミニウム粉末?

AlN粉末の表面は反応性が高く、空気中の水分と容易に反応します。 AlN は最初にアモルファス AlOOH 相に変化し、さらに Al(OH) に変化する可能性があります。₃ 特定の温度、pH、およびイオン活性条件下で。これにより、Al(OH) が形成されます。₃ 粉末の表面にはAlOOH（水酸化アルミニウム）膜が形成されます。酸素含有量の増加により、AlN セラミックの熱伝導率が大幅に低下します。この特性により、AlN 粉末の取り扱い、保管、輸送、後処理には問題が生じる可能性があります。

ヒント 2: 窒化アルミニウム粉末の製造方法

高純度、微粒、狭く分布した AlN 粉末を製造する主な方法には、アルミニウム粉末の直接窒化、酸化アルミニウムの炭素熱還元、自己伝播型高温合成 (SHS)、化学蒸着 (CVD) などがあります。 、高エネルギーボールミル粉砕。工業生産では主に最初の 2 つの方法が使用され、他の方法は主に実験研究で使用されます。

ヒント 3: AlN 粉末の加水分解度を測定する方法

AlN 粉末の加水分解の程度は、相変化を調べる X 線回折 (XRD) 分析、加水分解前後の AlN 粉末粒子の形状の変化を観察する走査型電子顕微鏡 (SEM) など、さまざまな技術によって決定できます。透過型電子顕微鏡 (TEM) を使用して製品の結晶構造を分析します。さらに、加水分解の程度は、加水分解中に生成されるアンモニアガスを監視することによって決定できます。これにより、NH が生成されます。₄⁺ そしてああ⁻ イオンが放出され、溶液の pH が変化します。

さらに、「セラミック基板の王様」とも呼ばれる AlN ベースのセラミック基板の主な成形方法は、スリップ キャスティング法です。この方法は効率的で費用対効果が高くなります。しかし、AlN 粉末の加水分解は、AlN セラミックの水ベースのスリップキャスティングプロセスの開発を大きく妨げます。非水ベースのスリップキャスティング法は実行可能ではありますが、高価であり、サンプルの均一性が低下し、環境汚染の原因となる有機蒸気が発生します。

さらに、熱伝導性プラスチックや熱伝導性接着剤などの AlN の新しい用途には、耐加水分解性、有機材料との適合性、および界面熱抵抗が低い AlN 粉末が必要です。

したがって、 AlN粉末の耐加水分解性と安定性 は、AlN 粉末の表面改質方法の研究においてホットな話題となっています。以下に、AlN の表面改質方法を簡単に説明します。

2. 窒化アルミニウムの表面改質方法 (AlN)

AlN粉末の表面改質技術には様々なものがあり、その基本原理は粉末表面に物理吸着や化学処理を施すことです。これにより、AlN 粒子のコーティングまたは薄い反応層の形成が生じ、AlN 粉末が水と相互作用する際の加水分解が防止されます。主な方法としては、コーティング改質、表面化学改質、熱処理などが挙げられます。

1. AlNのコーティング改質方法

塗装改質は古くから行われてきた伝統的な手法です。これには、AlN 粉末を無機または有機化合物でコーティングして、粒子の凝集を軽減または遮断することが含まれます。さらに、コーティングにより立体障害が生じ、粒子が再凝集しにくくなり、表面改質が実現します。コーティングに使用される改質剤には、界面活性剤、無機材料、分散剤などが含まれます。

ａ．界面活性剤法

界面活性剤による修飾は、AlN 粒子の表面電荷特性に依存します。カチオン性またはアニオン性界面活性剤を添加することにより、粉体分散系（気液、固液）間の界面張力が変化し、粉体表面に炭素－酸素鎖が外側に伸びた被覆層が形成されます。界面活性剤の親水基は固体表面に吸着し、化学反応性を変化させ、表面張力を低下させることができ、これによりナノ材料の親水性、親油性、表面活性を制御することができます。このプロセスにより、粉末の表面特性が変更されたり、粉末に新しい特性が与えられます。

これは次の 3 つの側面に反映されています。

親水基は表面基と反応して新しい構造を形成し、粉末表面に新しい活性をもたらします。

表面エネルギーの減少により粉末が安定化します。

界面活性剤の疎水基は表面に立体障害を形成し、粉末の再凝集を防ぎ、それによってさまざまな媒体中でのナノマテリアルの分散が向上します。

例: Guo Xingzhong らによる研究。有機カルボン酸とポリエチレングリコールで修飾された AlN 粉末は、水に 48 時間浸漬した後でも顕著な Al(OH)3 相を示さないことがわかりました。これは、有機カルボン酸が AlN 粉末の表面をコーティングし、それによって水分子の浸食が防止されていることを示しています。 AlN粉末表面。

b.無機コーティングの改質

AlN粉末の無機表面改質では、特定の方法で無機化合物や金属を表面に堆積させ、コーティング膜やコアシェル複合粒子を形成し、表面特性を改善します。このプロセスでは、物理的または化学的な吸着原理を利用して、コーティング材料がコーティング対象物に均一に付着し、連続的で完全なコーティング層を形成します。改質された粉末の表面は、コーティング材料の特性を示します。

c.分散剤法

分散剤は従来の界面活性剤と同様の両親媒性構造を持ち、アンカー基と溶媒和鎖を使用して界面活性剤の親水基と疎水基を置き換えます。アンカー基は、イオン結合、共有結合、水素結合、またはファンデルワールス力によって、単一点または複数点で粒子表面に強力に吸着します。溶媒和鎖は、ポリマーモノマーを変えるか、コポリマー組成を調整して分散媒との相溶性を調整することによって選択されます。さらに、溶媒和鎖の分子量を増加させると、粒子表面に十分に厚い空間層が確実に形成されます。

分散剤を選択するときは、次の 2 つの主な要素を考慮します。

分散媒の極性と分散剤の溶媒和鎖に対する溶解度。一般に、溶媒和鎖を溶解する能力が高く、アンカー基を溶解する能力が低い媒体が好ましい。

分散される粒子の表面極性、表面官能基、および酸塩基特性。低極性粒子には、複数の固定基を持つ分散剤が必要です。異なる官能基にはさまざまな反応性と相互作用方法があり、粒子表面の吸収サイトは酸塩基特性に基づいてアンカー基を選択できます。

表面化学修飾

表面化学修飾は、表面修飾剤と粒子表面の間の化学反応または吸着によって達成されます。ポリマーの長鎖が粉末の表面にグラフトされ、ポリマー内の親水基を含む長鎖が伸びて水性媒体中で立体障壁を形成します。これは、静電反発力だけでなく立体障害も利用して、AlN 粉末を媒体中で分散・安定化するのに役立ち、非常に効果的です。

表面改質剤の選択は、粒子の表面エネルギーを低下させ、表面電荷を除去し、表面引力を低減することを目的とする必要があります。良好な表面改質を実現するには、改質に使用される有機物質も粒子との最大程度の濡れを提供し、均一で緻密なコーティングを形成する必要があります。これは主に、粒子表面上の有機修飾剤の物理的および化学的吸着に依存します。物理的吸着は、ファンデルワールス力、静電引力、および修飾剤と粒子間のその他の物理的相互作用によって発生します。化学吸着は、粒子表面の官能基と修飾剤の間の反応に依存し、界面活性剤による粒子の表面コーティングを実現します。

AlN粉末の表面コーティングの溶射法

AlN 粒子の表面特性は有機マトリックスの表面特性とは大きく異なり、AlN の表面を改質してマトリックスとの適合性を高めるために一般的な表面化学修飾剤 (有機シリコン、チタン酸塩、アルミン酸塩など) が使用されます。処理後の粉末は水に対して強い非濡れ性を示します。これらの小さな粒子は非湿潤性を備えているため、水中に沈むことなく油膜のように浮遊します。この現象に基づいて、疎水性の程度を特徴付けるために活性化指数が使用されます。活性化指数が高いほど疎水性が良好であることを示し、指数が低いほど疎水性が低いことを示します。未修飾のナノ AlN 粉末が親水性が強い場合、水と接触すると全体が沈み、その結果、活性化指数 R = 0 になります。活性化指数 R は、サンプルの浮遊部分の質量を総質量で割ったものとして定義されます。サンプルの質量。

AlNのカップリング剤修飾

カップリング剤は、無機粒子の表面と反応できる極性基と、有機材料と反応または相溶できる有機官能基の両方を含む化合物です。カップリング剤の役割は、一方の端が粉末の表面に結合し、もう一方の端が分散媒と強く相互作用することです。これにより、AlN 粉末とポリマー材料の親和性が向上し、ポリマーマトリックス中での粉末の分散が容易になります。

一般的なカップリング剤には次のタイプがあります。

a) シランカップリング剤: 有機シランカップリング剤は、最も一般的に使用され、広く適用されているカップリング剤です。それらの一般構造式は Y-(CH2CH2-Si)-X3 で、n は通常 2〜3 です。この構造において、Y はビニル、メタクリロキシ、エポキシ、アミノ、または疎水性基などの有機官能基であり、X はケイ素原子に結合した官能基です。シランカップリング剤は X グループに基づいて分類されることが多く、加水分解シラン、ペルオキシシラン、ポリシランなどのタイプが含まれます。

b) チタン酸エステルカップリング剤: これらのカップリング剤は、1970 年代半ばに Kenrich Petroleum Company によって開発された新しいタイプです。多くの無機粒子に対して優れた改質効果を発揮します。

c) アルミン酸エステルカップリング剤: アルミン酸エステルカップリング剤は、新しい種類のカップリング剤です。

b) 疎水化処理: 疎水化処理は、AlN 粉末の表面を取り囲むように疎水基 (長鎖アルキル基、脂肪族炭化水素基、シクロアルキル基など) を持つ有機物質を選択します。この疎水基が粉体表面に強固に結合し、強い疎水性を発揮します。

c) 表面グラフト修飾: 表面グラフト重合は、高分子ポリマーを AlN 粉末の表面に結合させ、有機溶媒またはポリマー マトリックス中での粒子の分散を大幅に改善する化学的方法です。

ｄ）無機酸修飾：リン酸またはリン酸一二水素などの無機酸は、ＡｌＮ粉末の表面を処理するために使用される。この処理により、AlN の耐加水分解性が向上するだけでなく、粉末の分散性も向上します。 AlN の懸濁安定性と時間の関係、および水中での AlN の安定性は、使用する特定の無機酸によって異なります。

熱処理方法

熱処理法とは、粉末を加熱して表面に酸化を促し、緻密なアルミナ保護膜を形成し、耐加水分解性を向上させる方法です。 Li Yawei らの研究者は、空気中 700 ～ 1050°C の温度範囲での窒化アルミニウム (AlN) の耐加水分解性に対する熱処理の影響を研究しました。彼らは、AlN は空気中で 700°C で酸化し始め、温度が上昇するとさらに酸化が起こることを発見しました。 1050℃で、AlN は完全に酸化されました。熱処理後、AlN 粉末の耐加水分解性は温度に依存し、水温が上昇すると抵抗性が低下することがわかりました。

その他の変更方法

他にも、高エネルギー処理、超音波、カプセル化など、AlN 粉末の表面を改質するために使用できる改質方法がいくつかあります。通常、これらの方法を他の方法と組み合わせると、より良い表面改質結果が得られます。

影響を与える要因 AlN粉末の表面改質

温度、時間、使用する改質剤の量など、いくつかの要因が AlN 粉末の表面改質に影響します。修飾剤はナノパウダーの表面基と相互作用して修飾を実現します。ただし、修飾剤の化学構造と分子鎖の長さは、ポリマーマトリックス中のナノパウダーの分散に影響を与える可能性があります。改質剤の分子量は、表面改質に大きな影響を与えます。分子量が低すぎると被覆層が薄く、十分な立体障害が得られず、改質粉体の分散が悪くなる。一方、図 4 に示すように、高分子量の改質剤は表面に厚いコーティングを形成し、有機マトリックスとよりよく相互作用することができます。

シランカップリング剤を使用して AlN 粉末の表面を改質する場合、カップリング剤と粉末の反応を促進するために少量の無水エタノールまたはその他の溶媒が添加されることがよくあります。ただし、溶媒の有無は、AlN 粉末とカップリング剤の間の相互作用に影響を与える可能性があります。

参考：百度文区