Tehnoloogiate, nagu tehisintellekt, 5G side ja uued energiasõidukid, kiire areng on viinud elektroonikaseadmete võimsustiheduse ja integratsioonitaseme pideva suurenemiseni, muutes "soojuse hajumise" seadme jõudlust piiravaks võtmeteguriks. Võrreldes traditsiooniliste materjalidega, nagu Al₂O₃, BeO ja SiC, on AlN (alumiiniumnitriid), millel on suurepärane soojusjuhtivus, kõrge mehaaniline tugevus, hea soojuspaisumise sobivus, keemiline stabiilsus, mitte-toksilisus, madal dielektriline konstant ja kõrge elektritakistus, muutunud elektroonilise pakendamise ja soojusjuhtimise jaoks oluliseks materjaliks. AlN pulber on aga praktilistes rakendustes altid hüdrolüüsile. Niiske õhuga kokkupuutel reageerib selle pind pöördumatult veega, mille tulemusena tekib alumiiniumhüdroksiid [Al(OH)₃], AlOOH ja muud tooted. See põhjustab järgnevalt paagutatud AlN keraamikas lämmastiku vabu kohti, poorsuse ja hapnikusisalduse suurenemist, soojusjuhtivuse märkimisväärset langust ja isegi gaasilise ammoniaagi eraldumist kasutamise ajal, mis võib mõjutada ümbritsevaid komponente (nt mürgitada plaatina katalüsaatoreid). Seetõttu on AlN väljatöötamiseks ülioluline sobivate anti-hüdrolüüsi meetodite leidmine.
Alumiiniumnitriidi hüdrolüüsi käitumine
AlN hüdrolüüsikäitumise võib laias laastus jagada kolmeks iseloomulikuks etapiks:
(1) Induktsiooniperiood: AlN pinnal olemasolev amorfne hüdroksiidühend (AHC) lahustub aeglaselt ja pH jääb suures osas stabiilseks (kestab toatemperatuuril 17–180 minutit; induktsiooniperiood kaob 90 kraadi juures).
(2) Kiire reaktsiooniperiood: pärast AHC lahustumist paljastatakse AlN pind ja see läbib kiire hüdrolüüsi, moodustades amorfse AlOOH, mis seejärel muundub kristalliliseks böömiidiks (AlOOH). pH tõuseb järsult 9-10-ni.
(3) Toote stabiliseerimisperiood: madalatel temperatuuridel (22–50 kraadi) boehmiit lahustub ja kristalliseerub ümber bajeriidiks (-Al(OH)₃). Kõrgel temperatuuril (80–90 kraadi) jääb böömiit stabiilseks ja bayeriiti ei teki.
Hüdrolüüsiprotsessi mõjutavad peamised tegurid
1. Keskkonnategurid. Keskkonnakeskkond on võtmetegur, mis määrab iga etapi kestuse ja hüdrolüüsiproduktide olemuse.
(1) Temperatuur: Fukumoto et al. leidis, et kui temperatuur on alla 77,85 kraadi, on hüdrolüüsi lõppproduktiks Al(OH)3; üle 77,85 kraadi, on põhitoode AlOOH. Tugevad happed (nt HCl) või tugevad alused (nt NaOH) kiirendavad hüdrolüüsi, samas kui mõõdukalt tugevad happed (nt H₃PO4) võivad hüdrolüüsi inhibeerida, moodustades kaitsva fosfaadikihi.
(2) pH: Kocjan leidis, et algne pH ei muuda üldist hüdrolüüsi kiirust, kuid pH=10 juures induktsiooniperiood elimineeritakse (amorfne AHC ei saa leeliselistes tingimustes stabiilselt eksisteerida). Happelises keskkonnas, mille pH on=1–3, võivad H⁺ ioonid ühineda OH⁻-ga AlN pinnal, mis aeglustab hüdrolüüsi.
(3) Atmosfäär: Hou et al. uuris kõrge -temperatuuri keskkonda (1000–1150 kraadi) ja leidis, et kuna H₂O soodustab H⁺ difusiooni, on AlN hüdrolüüsi/oksüdatsiooni tendents kõrgeim Ar-20 mahuprotsenti H2O atmosfääris, massi suurenemine 15 tunni pärast 21,1%. Õhu-20 mahuprotsendilise H2O atmosfääris konkureerib O₂ H2O-ga, mille tulemuseks on massi suurenemine vaid 12,0%, mis näitab, et hapnik pärsib kõrgel temperatuuril hüdrolüüsi.
2. Osakeste suurus: uuringud on näidanud, et nano-suurusega AlN hüdrolüüsikiirus on 5–10 korda kiirem kui submikron-suurusega AlN. Hüdrolüüs algab pinnadefektidest, näiteks etappidest, mis näitab osakeste suuruse ja pinna morfoloogia olulist mõju hüdrolüüsi kineetikale.
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 h), samas kui otsese nitrideerimisega valmistatud AlN induktsiooniperiood on ainult 6 tundi.