Son yıllarda Japonya'daki Toyo Tanso Co., Ltd.'deki araştırmacılar alüminyum nitrürün yanma sentezi üzerinde çalışıyorlar. Gevşek, topaklaşmamış AlN tozunu başarıyla hazırladılar. Bu proseste ham alüminyum tozu, yanma sentezi ile önceden hazırlanan uygun miktarda AlN tozu ile karıştırılarak reaksiyon sıcaklığı düşürülür. Karışım bir grafit tepsiye yerleştirilir ve birkaç on amperlik kısa süreli akımın bir karbon ısıtıcıdan geçirilmesiyle nitrürleme reaksiyonu başlatılır. Reaksiyonun tamamı, 1 MPa'nın altındaki bir basınçta nitrojenle doldurulmuş yüksek basınçlı bir reaksiyon odasında gerçekleştirilir. Ortaya çıkan AlN daha sonra uygulama gereksinimlerine göre geleneksel yöntemlerle ezilir ve sınıflandırılır.
Ürünün yüklenmesinden soğuduktan sonra çıkarılmasına kadar tüm süreç iki saatten fazla sürmez. Analiz, geleneksel AlN hazırlama işlemleriyle karşılaştırıldığında bu yanma sentezi yönteminin maliyetleri yaklaşık %30-50 oranında azalttığını göstermektedir. Bu yeni yanma sentezi yönteminin avantajları ve faydaları göz önüne alındığında, Shanghai Toyo Tanso Co., Ltd. ile ortak girişim projesi yoluyla AlN üretimi başlatıldı.
Alüminyum nitrür (AlN), yüksek ısı iletkenliği, mükemmel elektrik yalıtımı, düşük dielektrik sabiti, silikonla (Si) eşleşen termal genleşme katsayısı ve çevre dostu olması nedeniyle elektronik ambalajlarda seramik alt katmanlar için tercih edilen malzeme haline geldi. Yüksek güçlü cihazlarda ısı dağılımı ve termal stres uyumsuzluğu gibi sorunları etkili bir şekilde çözebilir ve beşinci nesil mobil iletişim (5G), yeni enerji araçları ve havacılık gibi önemli alanlarda yaygın olarak kullanılır.
AlN tozu için ana sentez yöntemleri arasında doğrudan nitrürleme ve karbotermal indirgeme yer alır.
Doğrudan nitrürleme, alüminyum tozunun nitrojen içerisine yerleştirilmesini ve yüksek sıcaklığa ısıtılmasını içerir. Avantajları arasında bol miktarda hammadde, basit bir süreç ve yan reaksiyonların olmaması yer alır ve bu da onu endüstriyel üretim için nispeten uygun kılar.
Karbotermal indirgeme, hammadde olarak alümina tozu ve karbon tozu kullanır. Düzgün bir şekilde karıştırıldıktan sonra, 1600-1800 derecelik yüksek sıcaklıkta, akıcı bir nitrojen atmosferinde indirgenir ve nitrürlenerek AlN oluşturulur. Şu anda ticari AlN tozlarının çoğu karbotermal indirgeme yoluyla hazırlanmaktadır. Bu yöntemle üretilen AlN tozu, yüksek saflık, iyi küresellik, sinterleme kolaylığı ve güçlü stabilite gibi avantajlara sahiptir.
Alüminyum tozunun geleneksel doğrudan nitridasyonuna ve karbotermal indirgemeye ek olarak, yanma sentezi (CS), AlN tozunu verimli bir şekilde sentezlemek için alüminyum tozu ve nitrojen arasında kendiliğinden yayılan ekzotermik reaksiyonu kullanır. Mevcut ana akım AlN tozu hazırlama proseslerinin karmaşıklık ve yüksek enerji tüketimi gibi dezavantajlarının üstesinden gelir ve basit proses akışı, düşük enerji tüketimi ve kısa üretim döngüsü gibi önemli avantajlara sahiptir. AlN tozunun büyük ölçekli hazırlanması için büyük bir potansiyel göstermektedir ve endüstrinin yakın ilgisini ve beklentilerini hak etmektedir.
Yakma Senteziyle AlN Tozunun Hazırlanmasında Araştırma İlerlemesi
Bu teknoloji Merzhanov'un ekibi tarafından Sovyetler Birliği'nde önerildiğinden bu yana çeşitli malzemelerin hazırlanmasında kullanılmış ve özellikle seramik tozları, intermetalik bileşikler, seramik kaplamalar ve diğer alanlarda kendine has özellikleri ve avantajlarıyla endüstriyel üretime ulaşmıştır.
AlN'nin yanma sentezi, Al tozunun doğrudan nitrürlenmesinin genişletilmiş bir yöntemi olarak kabul edilebilir. Bu yöntemde Al tozu yüksek basınçlı nitrojende reaksiyona girer. Reaksiyon hızlıdır ve Al ile nitrojen arasındaki reaksiyonun ürettiği ısı, reaksiyonun tamamlanmasına kadar otomatik olarak devam ettirilebilir. Al tozunun yüzeyinde oluşan AlN tabakası şiddetli reaksiyon nedeniyle parçalanabilir ve açıkta kalan taze yüzey reaksiyona devam edebilir. Bu yöntem hızlı ve etkili olup büyük ilgi görmüştür. Her ne kadar özü, Al tozunun doğrudan nitrürlenmesiyle aynı olsa da, bu yöntem, Al nitrürleme için gereken yüksek sıcaklıktaki ortamı korumak için harici enerji gerektirmez; yalnızca reaksiyonun ilk aşamasında ateşlenmesi gerekir, böylece enerji tüketimi büyük ölçüde azalır.
Yanma sentezindeki en büyük sorun, Al-N2 gaz-katı yanma prosesinde reaksiyonun, reaksiyon bölgesinin gözenekleri içindeki sadece N2'ye bağlı olarak tamamlanmaya devam etmesi halinde, gerekli N2 basıncının binlerce atmosfere ulaşmasıdır. Bu nedenle AlN tozunun erken yanma sentezinde çoğunlukla 310 MPa'ya kadar N2 basıncıyla ultra yüksek basınçlı sentez kullanıldı. Bununla birlikte, yüksek basınçlı reaksiyon koşullarının doğası gereği sertliği, ekipmanın teknik özelliklerine çok yüksek gereksinimler getirmekte ve yüksek risk içermekte olup, büyük ölçekli uygulamasını ve geliştirilmesini ciddi şekilde kısıtlamaktadır.
Buna karşılık, sonraki araştırmalar çoğunlukla yanma sürecinin optimize edilmesine odaklandı. Temelde bu, Al-N2 arayüzünde enerji ve kütle transferinin yönlü düzenlenmesidir. Yanma dalgası yapısı parametrelerinin (yanma sıcaklığı, yayılma hızı vb.) sinerjik optimizasyonu yoluyla, bu parametreler ile ürün özellikleri (mikro yapı, parçacık boyutu dağılımı, saflık vb.) arasında bir korelasyon mekanizması kurulur.
Maintaining the Infiltration Combustion Characteristics of Al–N2
Reaksiyon bölgesindeki gaz tüketimi, yerel bir basınç düşüşüne neden olur ve ortaya çıkan basınç gradyanı, N2'nin kendiliğinden reaksiyon bölgesine yönlü olarak sızmasına neden olur. Bununla birlikte, yanma dalgası cephesindeki ön ısıtma etkisi, Al parçacıklarının erimesine ve birleşmesine neden olarak bir difüzyon bariyeri oluşturur. Al-N2'nin infiltrasyonlu yanma özelliklerini korumak için Al-N2'nin reaksiyon termodinamiklerini ve arayüzey kinetiğini dengelemek, aşırı Al eriyiği oluşumunu bastırmak ve gözenek kanalı tıkanmasını ve reaksiyon arayüzünün çökmesini önlemek gerekir. İnert seyrelticiler yanma reaksiyon sisteminin ısı kapasitesini önemli ölçüde artırabilir. Endotermik etkiler yoluyla, enerji dağılımını artırır ve reaksiyon kinetik aktivitesini zayıflatarak yanma reaksiyonunun tepe sıcaklığını önemli ölçüde azaltır ve yanma dalgası yayılma hızını önemli ölçüde yavaşlatır.
Şu anda, katı faz seyreltme stratejisi, Al tozunun düşük basınç/ortam basıncına yakın basınç altında verimli ve tam nitridasyonunu başarmış olup, Al-N2 reaksiyon arayüzü kontrolünde atılım için anahtar bir yol haline gelmiştir. Ancak katı fazdaki seyrelticiler kaçınılmaz olarak ürün verimini azaltır. Bu nedenle ürün verimini garanti altına almak için araştırmacılar Ar ve H2 gibi gazları devreye sokarlar. Reaksiyon bölgesindeki nitrojen kısmi basıncını seyrelterek ve reaktan moleküllerinin çarpışma olasılığını azaltarak bu gazlar, yanma reaksiyonu sıcaklığını ve yayılma hızını etkili bir şekilde azaltabilir. Bununla birlikte, H2'nin eklenmesi reaksiyon dönüşümünü engelleyerek artık alüminyum içeriğinin artmasına neden olur. Yukarıdaki sonuçlar, Al-N2'nin infiltrasyonlu yanma özelliklerinin korunmasının, düşük/yakın ortam basıncı altında AlN tozunun büyük ölçekli hazırlanmasını sağlamanın anahtarı olduğunu ve ilgili proses optimizasyonu için teknik yöne işaret ettiğini göstermektedir.
Yanma Reaksiyon Sıcaklığı
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 ila 2057 K. Yanma sıcaklığındaki azalma, yüksek sıcaklık bölgesindeki AlN taneciklerinin atomik difüzyon hızını ve büyüme kinetiğini büyük ölçüde bastırır, böylece AlN tane boyutunu etkili bir şekilde inceltir ve morfolojik tekdüzeliğini geliştirir.
Azot basıncı arttıkça sistemin adyabatik sıcaklığı sabit kalsa da yanma reaksiyonu sıcaklığı artar. Yanma reaksiyonu sıcaklığındaki artış, atomik difüzyon kabiliyetini arttırır ve tanelerin yüksek sıcaklık bölgesinde geçirdiği süreyi uzatır, böylece parçacıklar arası sinterlemenin neden olduğu topaklaşma ile birlikte AlN tanelerinin büyümesini önemli ölçüde destekler. Bu fark, reaksiyon arayüzünde gaz fazı reaktanlarının difüzyonunu ve kütle transfer verimliliğini artıran, birim hacim başına N2 moleküler akısındaki artıştan kaynaklanır. Yanma reaksiyon sıcaklığının yalnızca Al-N2 infiltrasyonlu yanma modunu sürdürmek için temel bir parametre olmadığı, aynı zamanda nihai AlN toz ürününün parçacık boyutu dağılımını ve parçacık topaklanma durumunu doğrudan düzenlediği görülebilir.
Yanma Katkıları
Katı iskeletin erime çökmesi, N2 sızma akışının katı-sıvı arayüzü tarafından bloke edilmesi ve gaz fazı reaksiyonlarının neden olduğu yanma dalgası kararsızlığı dahil olmak üzere, yanma dalgasının geçici termal şoku altında indüklenen Al tozunun üç fazlı dağılımının gelişimi, AlN tanelerinin çekirdeklenme/büyüme davranışını topluca belirler. Bu katı kısıtlama, iz katkı maddelerinin yerinde eklenmesini Al'in üç fazlı dağılımını düzenlemek için anahtar yollardan biri haline getiriyor.
Al-N2 yanma sisteminde en yaygın kullanılan katkı maddeleri olan amonyum halojenürlerin genellikle endotermik ayrışma yoluyla yanma sıcaklığını ve yayılma hızını azalttığına inanılırken, ayrışma sonucu oluşan gazlar geçici mikrokanallar oluşturabilir ve N2 sızmasını teşvik edebilir. AlN'nin yanma sentezi alanında evrensel bir morfoloji kontrol mekanizması henüz oluşturulmamış olmasına rağmen, katkı maddeleri hala kullanım kolaylığı ve mühendislik uyarlanabilirliğini birleştiren yanma reaksiyon yolunu düzenleyen bir yöntem olarak yaygın şekilde tanınmaktadır.