בשנים האחרונות, חוקרים ב-Toyo Tanso Co., Ltd ביפן חוקרים את סינתזת הבעירה של אלומיניום ניטריד. הם הכינו בהצלחה אבקת AlN רופפת ולא מצטברת. בתהליך זה מערבבים אבקת אלומיניום גולמית עם כמות מתאימה של אבקת AlN שהוכנה מראש על ידי סינתזת בעירה כדי להוריד את טמפרטורת התגובה. התערובת מונחת במגש גרפיט, ותגובת הניטריציה מתחילה על ידי העברת זרם קצר בזמן של כמה עשרות אמפר דרך מחמם פחמן. התגובה כולה מתבצעת בתא תגובה בלחץ גבוה מלא בחנקן בלחץ מתחת ל-1 MPa. לאחר מכן ה-AlN המתקבל נמעך ומסווג בשיטות קונבנציונליות בהתאם לדרישות היישום.
מהטעינה ועד להסרת המוצר לאחר הקירור, התהליך כולו אורך לא יותר משעתיים. ניתוח מראה כי בהשוואה לתהליכי הכנת AlN קונבנציונליים, שיטת סינתזת בעירה זו מפחיתה עלויות בכ-30-50%. לאור היתרונות והיתרונות של שיטת סינתזת בעירה חדשה זו, ייצור AlN הופעל באמצעות פרויקט מיזם משותף עם Shanghai Toyo Tanso Co., Ltd.
אלומיניום ניטריד (AlN), בשל מוליכות תרמית גבוהה, בידוד חשמלי מעולה, קבוע דיאלקטרי נמוך, מקדם התפשטות תרמית התואם לזה של סיליקון (Si), וידידותיות לסביבה, הפך לחומר המועדף עבור מצעים קרמיים באריזה אלקטרונית. זה יכול לפתור ביעילות בעיות כמו פיזור חום במכשירים בעלי הספק גבוה וחוסר התאמה של מתח תרמי, והוא נמצא בשימוש נרחב בתחומים מרכזיים כמו תקשורת סלולרית מהדור החמישי (5G), רכבי אנרגיה חדשים ותעופה וחלל.
שיטות הסינתזה העיקריות לאבקת AlN כוללות ניטרידציה ישירה והפחתה פחמימתית.
ניטרידציה ישירה כוללת הנחת אבקת אלומיניום בחנקן וחימום שלה לטמפרטורה גבוהה. יתרונותיו כוללים חומרי גלם רבים, תהליך פשוט וללא תגובות לוואי, מה שהופך אותו למתאים יחסית לייצור תעשייתי.
הפחתת פחמן משתמשת באבקת אלומינה ואבקת פחמן כחומרי גלם. לאחר ערבוב אחיד, הם מופחתים ומנוטרדים ליצירת AlN באווירת חנקן זורמת בטמפרטורה גבוהה של 1600-1800 מעלות. כיום, רוב אבקת AlN המסחרית מוכנה על ידי הפחתת פחמימות. לאבקת AlN המיוצרת בשיטה זו יש יתרונות כמו טוהר גבוה, כדוריות טובה, קלות סינטר ויציבות חזקה.
בנוסף לניטריציה הישירה המסורתית של אבקת אלומיניום והפחתה פחמימתית, סינתזת בעירה (CS) משתמשת בתגובה האקזותרמית המתפשטת בין אבקת אלומיניום וחנקן כדי לסנתז ביעילות אבקת AlN. הוא מתגבר על החסרונות של תהליכי הכנת אבקת AlN המיינסטרים הנוכחיים, כגון מורכבות וצריכת אנרגיה גבוהה, ויש לו יתרונות משמעותיים הכוללים זרימת תהליך פשוטה, צריכת אנרגיה נמוכה ומחזור ייצור קצר. זה מראה פוטנציאל גדול להכנה בקנה מידה גדול של אבקת AlN וראוי לתשומת לב רבה ולציפיות מהתעשייה.
התקדמות המחקר בהכנת אבקת AlN על ידי סינתזת בעירה
מאז שהטכנולוגיה הזו הוצעה על ידי הצוות של מרז'נוב בברית המועצות, היא שימשה להכנת מגוון חומרים והשיגה ייצור תעשייתי, עם מאפיינים ויתרונות משלה, בעיקר באבקות קרמיות, תרכובות בין-מתכתיות, ציפויים קרמיים ותחומים נוספים.
ניתן להתייחס לסינתזה בעירה של AlN כשיטה מורחבת של ניטרידציה ישירה של אבקת אל. בשיטה זו אבקת אל מגיבה בחנקן בלחץ גבוה. התגובה היא מהירה, והחום שנוצר מהתגובה בין אל לחנקן יכול לקיים את התגובה באופן אוטומטי עד להשלמה. שכבת AlN שנוצרת על פני אבקת האל עלולה להיקרע עקב התגובה האלימה, והמשטח הטרי שנחשף יכול להמשיך להגיב. שיטה זו מהירה ויעילה ומשכה תשומת לב רבה. למרות המהות שלה זהה לניטרידציה ישירה של אבקת אל, שיטה זו אינה דורשת אנרגיה חיצונית כדי לשמור על הסביבה בטמפרטורה גבוהה הדרושה לניטריציית אל; צריך להדליק אותו רק בשלב הראשוני של התגובה, ובכך להפחית מאוד את צריכת האנרגיה.
הבעיה הגדולה ביותר עם סינתזת בעירה היא שבתהליך הבעירה של גז מוצק Al-N2, אם התגובה הייתה ממשיכה עד להשלמה תוך הסתמכות רק על N2 בתוך הנקבוביות של אזור התגובה, לחץ ה-N2 הנדרש יגיע לאלפי אטמוספרות. לכן, סינתזת בעירה מוקדמת של אבקת AlN השתמשה בעיקר בסינתזה בלחץ אולטרה-גבוה, עם לחץ N2 של עד 310 MPa. עם זאת, החומרה המובנית של תנאי תגובה בלחץ גבוה מטילה דרישות גבוהות מאוד למפרט הטכני של הציוד וכרוכה בסיכון גבוה, המגבילה מאוד את היישום והפיתוח שלו בקנה מידה גדול.
בתגובה, המחקר שלאחר מכן התמקד בעיקר באופטימיזציה של תהליך הבעירה. במהותו, זהו ויסות כיווני של העברת אנרגיה ומסה בממשק Al-N2. באמצעות אופטימיזציה סינרגטית של פרמטרי מבנה גלי הבעירה (טמפרטורת בעירה, מהירות התפשטות וכו'), נוצר מנגנון מתאם בין פרמטרים אלו לבין מאפייני המוצר (מיקרו-מבנה, חלוקת גודל החלקיקים, טוהר וכו').
שמירה על מאפייני בעירת החדירה של אל-N2
צריכת גז באזור התגובה גורמת לירידת לחץ מקומית, ושיפוע הלחץ שנוצר דוחף את N2 לחדור באופן ספונטני בכיוון לאזור התגובה. עם זאת, אפקט החימום המוקדם בחזית גלי הבעירה גורם לחלקיקי אל להימס ולהתלכד, ויוצרים מחסום דיפוזיה. כדי לשמור על מאפייני הבעירה החדירה של Al-N2, יש צורך לאזן את התרמודינמיקה של התגובה ואת הקינטיקה הבין-פנים של Al-N2, לדכא היווצרות של נמס אל אל עודף, ולהימנע מחסימת תעלות נקבוביות וקריסת ממשק תגובה. מדללים אינרטיים יכולים להגדיל משמעותית את קיבולת החום של מערכת תגובת הבעירה. באמצעות השפעות אנדותרמיות, הם משפרים את פיזור האנרגיה ומחלישים את הפעילות הקינטית של התגובה, מפחיתים משמעותית את טמפרטורת השיא של תגובת הבעירה ומאטים באופן ניכר את מהירות התפשטות גלי הבעירה.
נכון לעכשיו, אסטרטגיית הדילול הפאזה המוצקה השיגה ניטרידציה יעילה ומלאה של אבקת אל בלחץ נמוך/לחץ סביבתי כמעט, והפכה לנתיב מפתח לפריצת דרך בבקרת ממשק תגובה Al-N2. עם זאת, מדללים בשלב מוצק מפחיתים בהכרח את תפוקת המוצר. לכן, כדי להבטיח תפוקת מוצר, החוקרים מציגים גזים כמו Ar ו-H2. על ידי דילול הלחץ החלקי של החנקן באזור התגובה והפחתת הסתברות ההתנגשות של מולקולות מגיבים, גזים אלה יכולים להוריד ביעילות את טמפרטורת תגובת הבעירה ואת מהירות ההתפשטות. עם זאת, החדרת H2 מעכבת המרת תגובה, מה שמוביל לעלייה בתכולת האלומיניום השיורית. התוצאות לעיל מצביעות על כך ששמירה על מאפייני הבעירה החדירה של Al-N2 היא המפתח להשגת הכנה בקנה מידה גדול של אבקת AlN תחת לחץ סביבתי נמוך/קרוב, מה שמצביע על הכיוון הטכני לאופטימיזציה של תהליך קשור.
טמפרטורת תגובת בעירה
Under the infiltration combustion framework, regulating the aluminum powder content and nitrogen pressure is the most direct and controllable process means. Studies show that when the aluminum powder content decreases from 60% (mole fraction) to 40% (diluent content increases from 40% to 60%), the adiabatic temperature of the system significantly decreases from 4120 K to 2890 K, and the maximum combustion reaction temperature decreases from >2573 K עד 2057 K. הירידה בטמפרטורת הבעירה מדכאת מאוד את קצב הדיפוזיה האטומי ואת קינטיקה של גדילה של גרגרי AlN של המוצר באזור הטמפרטורה הגבוהה, ובכך למעשה משפרת את גודל הגרגיר AlN ומשפרת את האחידות המורפולוגית שלו.
למרות שהטמפרטורה האדיאבטית של המערכת נשארת קבועה ככל שלחץ החנקן עולה, טמפרטורת תגובת הבעירה עולה. העלייה בטמפרטורת תגובת הבעירה משפרת את יכולת הדיפוזיה האטומית ומאריכה את הזמן שהדגנים מבלים באזור הטמפרטורה הגבוהה, ובכך מעודדת באופן משמעותי את הצמיחה של גרגרי AlN, המלווה בצבירה הנגרמת על ידי סינטר בין חלקיקים. הבדל זה נובע מעלייה בשטף המולקולרי N2 ליחידת נפח, אשר משפר את יעילות הדיפוזיה והעברת המסה של מגיבים בשלבי גז בממשק התגובה. ניתן לראות שטמפרטורת תגובת הבעירה היא לא רק פרמטר מרכזי לשמירה על מצב הבעירה של חדירת Al-N2, אלא גם מווסתת ישירות את חלוקת גודל החלקיקים ומצב הצבירה של החלקיקים של המוצר הסופי של אבקת AlN.
תוספי בעירה
האבולוציה של התפלגות תלת-פאזית של אבקת אל הנגרמת תחת הלם תרמי חולף של גל הבעירה, לרבות התמוטטות של השלד המוצק, חסימת שטף חדירת N2 על ידי ממשק מוצק-נוזל ואי יציבות של גלי בעירה הנגרמת על ידי תגובות פאזות גז, קובעת ביחד את התנהגות הגרעין של אלN/צמיחת גרעין. אילוץ קשה זה הופך את הוספה באתרו של תוספים עקבות לאחד הנתיבים המרכזיים לוויסות ההתפלגות התלת-פאזית של Al.
הלידי אמוניום, בתור התוספים הנפוצים ביותר במערכת הבעירה Al-N2, מאמינים בדרך כלל כמפחיתים את טמפרטורת הבעירה ואת מהירות ההתפשטות באמצעות פירוק אנדותרמי, בעוד שהגזים הנוצרים מפירוק יכולים לבנות מיקרו-תעלות חולפות ולקדם חדירת N2. למרות שעדיין לא הוקם מנגנון בקרת מורפולוגיה אוניברסלי בתחום סינתזת הבעירה של AlN, תוספים עדיין זוכים להכרה נרחבת כשיטה לוויסות נתיב תגובת הבעירה המשלבת קלות תפעול ויכולת הסתגלות הנדסית.