So'nggi yillarda Yaponiyaning Toyo Tanso Co., Ltd tadqiqotchilari alyuminiy nitridining yonish sintezini o'rganishdi. Ular bo'shashgan, aglomeratsiyalanmagan{3}}AlN kukunini muvaffaqiyatli tayyorladilar. Bu jarayonda xom alyuminiy kukuni reaksiya haroratini pasaytirish uchun yonish sintezi yoʻli bilan tayyorlangan tegishli miqdorda-AlN kukuni bilan aralashtiriladi. Aralash grafit patnisga joylashtiriladi va nitridlanish reaksiyasi uglerodli isitgich orqali bir necha o'n amperlik qisqa-vaqt oqimini o'tkazish orqali boshlanadi. Butun reaksiya 1 MPa dan past bosimda azot bilan to'ldirilgan yuqori{9}}bosimli reaksiya kamerasida amalga oshiriladi. Keyin olingan AlN eziladi va dastur talablariga muvofiq an'anaviy usullar bilan tasniflanadi.
Sovutgandan keyin mahsulotni yuklashdan tortib olishgacha bo'lgan butun jarayon ikki soatdan ko'proq vaqtni oladi. Tahlil shuni ko'rsatadiki, an'anaviy AlN tayyorlash jarayonlari bilan solishtirganda, bu yonish sintezi usuli xarajatlarni taxminan 30-50% ga kamaytiradi. Ushbu yangi yonish sintezi usulining afzalliklari va afzalliklarini hisobga olgan holda, AlN ishlab chiqarish Shanghai Toyo Tanso Co., Ltd bilan qo'shma korxona loyihasi orqali boshlandi.
Alyuminiy nitridi (AlN) yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi, mukammal elektr izolyatsiyasi, past dielektrik o'tkazuvchanligi, kremniyga (Si) mos keladigan issiqlik kengayish koeffitsienti va ekologik tozaligi tufayli elektron qadoqlashda keramik substratlar uchun afzal qilingan materialga aylandi. U yuqori quvvatli qurilmalarda issiqlik tarqalishi va issiqlik kuchlanishining mos kelmasligi kabi muammolarni samarali hal qila oladi va beshinchi avlod mobil aloqasi (5G), yangi energiya vositalari va aerokosmik- kabi muhim sohalarda keng qo'llaniladi.
AlN kukuni uchun asosiy sintez usullari to'g'ridan-to'g'ri nitridatsiya va karbotermik pasayishni o'z ichiga oladi.
To'g'ridan-to'g'ri nitridatsiya alyuminiy kukunini azotga solib, uni yuqori haroratgacha qizdirishni o'z ichiga oladi. Uning afzalliklari orasida xom ashyoning ko'pligi, oddiy jarayon va nojo'ya reaktsiyalarning yo'qligi, sanoat ishlab chiqarishi uchun nisbatan mos keladi.
Karbotermik pasayish xom ashyo sifatida alumina kukuni va uglerod kukunidan foydalanadi. Bir xil aralashtirilgandan so'ng, ular 1600-1800 daraja yuqori haroratda oqayotgan azot atmosferasida AlN hosil qilish uchun kamayadi va azotlanadi. Hozirgi vaqtda ko'pgina tijorat AlN kukunlari karbotermik pasayish yo'li bilan tayyorlanadi. Ushbu usul bilan ishlab chiqarilgan AlN kukuni yuqori tozalik, yaxshi sharsimonlik, sinterlash qulayligi va kuchli barqarorlik kabi afzalliklarga ega.
Alyuminiy kukunini an'anaviy to'g'ridan-to'g'ri nitridlash va karbotermik qaytarilishdan tashqari, yonish sintezi (CS) AlN kukunini samarali sintez qilish uchun{0}}alyuminiy kukuni va azot o'rtasidagi o'z-o'zidan tarqaladigan ekzotermik reaktsiyadan foydalanadi. U murakkablik va yuqori energiya iste'moli kabi mavjud asosiy AlN kukunini tayyorlash jarayonlarining kamchiliklarini bartaraf qiladi va oddiy jarayon oqimi, kam energiya iste'moli va qisqa ishlab chiqarish aylanishi kabi muhim afzalliklarga ega. Bu AlN kukunini keng miqyosda-tayyorlash uchun katta imkoniyatlarni ko'rsatadi va sanoat tomonidan e'tibor va umidlarga loyiqdir.
Yonish sintezi orqali AlN kukunini tayyorlash bo'yicha tadqiqotning borishi
Ushbu texnologiya Sovet Ittifoqida Merjanov jamoasi tomonidan taklif qilinganligi sababli, u turli xil materiallarni tayyorlash uchun ishlatilgan va sanoat ishlab chiqarishiga erishgan, o'ziga xos xususiyatlar va afzalliklarga ega, ayniqsa, keramika kukunlari, intermetalik birikmalar, keramik qoplamalar va boshqa sohalarda.
AlN ning yonish sintezi Al kukunini to'g'ridan-to'g'ri nitridlashning kengaytirilgan usuli sifatida qaralishi mumkin. Bu usulda Al kukuni yuqori-bosimli azotda reaksiyaga kirishadi. Reaktsiya tezdir va Al va azot o'rtasidagi reaksiya natijasida hosil bo'lgan issiqlik avtomatik ravishda reaksiya tugagunga qadar davom etishi mumkin. Al kukuni yuzasida hosil bo'lgan AlN qatlami zo'ravonlik reaktsiyasi tufayli yorilishi mumkin va ochilgan yangi sirt reaksiyaga kirishishi mumkin. Ushbu usul tez va samarali bo'lib, katta e'tiborni tortdi. Uning mohiyati Al kukunini to'g'ridan-to'g'ri nitridlash bilan bir xil bo'lsa-da, bu usul Al nitridatsiyasi uchun zarur bo'lgan yuqori{6}}harorat muhitini saqlab turish uchun tashqi energiyani talab qilmaydi; uni faqat reaktsiyaning dastlabki bosqichida yoqish kerak, shuning uchun energiya sarfini sezilarli darajada kamaytiradi.
Yonish sintezidagi eng katta muammo shundaki, Al-N2 gaz-qattiq yonish jarayonida, agar reaksiya reaksiya zonasi teshiklari ichida faqat N2 ga tayangan holda yakunlansa, kerakli N2 bosimi minglab atmosferaga yetadi. Shuning uchun, AlN kukunining erta yonish sintezi asosan N2 bosimi 310 MPa gacha bo'lgan o'ta yuqori bosimli sintezdan foydalaniladi. Biroq, yuqori{9}}bosim reaktsiyasi sharoitlarining o'ziga xos qattiqligi uskunaning texnik xususiyatlariga juda yuqori talablarni qo'yadi va yuqori xavfni keltirib chiqaradi, bu esa uning keng ko'lamli-qo'llanilishi va rivojlanishini keskin cheklaydi.
Bunga javoban, keyingi tadqiqotlar asosan yonish jarayonini optimallashtirishga qaratilgan. Aslida, bu Al-N2 interfeysida energiya va massa almashinuvini yo'naltiruvchi tartibga solishdir. Yonish to'lqini strukturasi parametrlarini (yonish harorati, tarqalish tezligi va boshqalar) sinergik optimallashtirish orqali ushbu parametrlar va mahsulot xususiyatlari (mikrotuzilma, zarracha hajmi taqsimoti, tozalik va boshqalar) o'rtasidagi korrelyatsiya mexanizmi o'rnatiladi.
Al-N2 ning infiltratsion yonish xususiyatlarini saqlash
Reaktsiya zonasida gaz iste'moli mahalliy bosimning pasayishiga olib keladi va natijada paydo bo'lgan bosim gradienti N2 ni o'z-o'zidan reaksiya zonasiga yo'naltirilgan infiltratsiyaga olib keladi. Biroq, yonish to'lqini jabhasida oldindan qizdirish effekti Al zarralarini eritib, birlashishiga olib keladi va diffuziya to'sig'ini hosil qiladi. Al-N2 ning infiltratsion yonish xususiyatlarini saqlab qolish uchun Al-N2 ning reaktsiya termodinamikasini va interfasial kinetikasini muvozanatlash, haddan tashqari Al eritmasining shakllanishini bostirish va gözenek kanallarining bloklanishi va reaktsiya interfeysining qulashiga yo'l qo'ymaslik kerak. Inert erituvchilar yonish reaktsiyasi tizimining issiqlik quvvatini sezilarli darajada oshirishi mumkin. Endotermik ta'sirlar orqali ular energiya tarqalishini kuchaytiradi va reaktsiyaning kinetik faolligini susaytiradi, yonish reaktsiyasining eng yuqori haroratini sezilarli darajada kamaytiradi va yonish to'lqinining tarqalish tezligini sezilarli darajada sekinlashtiradi.
Ayni paytda qattiq{0}}fazali suyultiruvchi strategiya Al-N2 reaktsiya interfeysini boshqarishda muvaffaqiyatga erishish uchun asosiy yo'l bo'lib, past bosim ostida/yaqin atrof-muhit bosimi ostida Al kukunini samarali va to'liq nitridlanishiga erishdi. Biroq, qattiq{3}}fazali suyultiruvchilar mahsulot unumdorligini muqarrar ravishda kamaytiradi. Shuning uchun, mahsulot rentabelligini ta'minlash uchun tadqiqotchilar Ar va H2 kabi gazlarni kiritadilar. Reaktsiya zonasida azotning qisman bosimini suyultirish va reaktiv molekulalarning to'qnashuvi ehtimolini kamaytirish orqali bu gazlar yonish reaktsiyasining harorati va tarqalish tezligini samarali ravishda kamaytirishi mumkin. Biroq, H2 ning kiritilishi reaktsiya konversiyasini inhibe qiladi, bu esa qoldiq alyuminiy tarkibining oshishiga olib keladi. Yuqoridagi natijalar shuni ko'rsatadiki, Al-N2 ning infiltratsion yonish xususiyatlarini saqlab qolish, past/yaqin muhit bosimi ostida AlN kukunini keng miqyosda tayyorlashga erishishning kalitidir, bu esa tegishli jarayonni optimallashtirishning texnik yo'nalishini ko'rsatadi.
Yonish reaksiyasi harorati
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 dan 2057 K gacha. Yonish haroratining pasayishi yuqori harorat zonasida AlN donalarining atomik diffuziya tezligini va o'sish kinetikasini sezilarli darajada bostiradi va shu bilan AlN donalarining hajmini samarali ravishda aniqlaydi va uning morfologik bir xilligini yaxshilaydi.
Azot bosimi ortishi bilan tizimning adiabatik harorati doimiy bo'lib qolsa-da, yonish reaktsiyasi harorati ko'tariladi. Yonish reaksiyasi haroratining oshishi atom diffuziya qobiliyatini oshiradi va donalarning yuqori{1}}harorat zonasida oʻtkazadigan vaqtini uzaytiradi, shu bilan zarralararo sinterlanish natijasida kelib chiqqan aglomeratsiya bilan birga AlN donalarining oʻsishiga sezilarli yordam beradi. Bu farq N2 molekulyar oqimining birlik hajmiga ko'payishidan kelib chiqadi, bu esa reaksiya interfeysida gaz fazali reaktivlarining diffuziya va massa uzatish samaradorligini oshiradi. Ko'rinib turibdiki, yonish reaktsiyasi harorati nafaqat Al-N2 infiltratsiya yonish rejimini saqlashning asosiy parametri, balki yakuniy AlN kukuni mahsulotining zarracha hajmining taqsimlanishi va zarrachalar aglomeratsiyasi holatini bevosita tartibga soladi.
Yonish qo'shimchalari
Yonish to'lqinining vaqtinchalik termal zarbasi ostida Al kukunining uch fazali taqsimlanishining evolyutsiyasi, shu jumladan qattiq skeletning erishi qulashi, qattiq suyuqlik interfeysi tomonidan N2 infiltratsiya oqimining bloklanishi va gaz-to'lqinining yonish to'lqinining beqarorligi, shu jumladan, Al to'lqinining to'planishi reaktsiyalarining ketma-ketligini aniqlaydi, donalar. Ushbu qattiq cheklov iz qo'shimchalarini in situ qo'shishni Al ning uch fazali taqsimlanishini tartibga solishning asosiy yo'llaridan biriga aylantiradi.
Al-N2 yonish tizimida eng ko'p ishlatiladigan qo'shimchalar sifatida ammoniy galogenidlari odatda endotermik parchalanish orqali yonish harorati va tarqalish tezligini kamaytiradi, parchalanish natijasida hosil bo'lgan gazlar esa vaqtinchalik mikrokanallarni qurishi va N2 infiltratsiyasini rag'batlantirishi mumkin. AlN ning yonish sintezi sohasida universal morfologiyani boshqarish mexanizmi hali yaratilmagan bo'lsa-da, qo'shimchalar hali ham foydalanish qulayligi va muhandislik moslashuvini birlashtirgan yonish reaktsiyasi yo'lini tartibga solish usuli sifatida keng tan olingan.