高端粉体材料氮化硼-氧化铝-氢氧化铝介绍

 

关键词：5G，TIM, EMI ,EMC， ESD,  绝缘,透波，高导热，国产高端新材料

导语： 随着电子设备的性能和功能的提高，每个设备产生的热量增加，热量有效地散发、消散和冷却热量很重要。对于5G智能手机和AR/VR设备等高性能移动产品，由于采用高性能IC和追求减轻重量的高度集成设计，导致散热部件的安装空间受到限制，因此利用高导热垫片和导热凝胶等TIM材料来更好地散热。 

    

什么是氮化硼?

      氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼（CBN）和纤锌矿氮化硼（WBN）。

氮化硼问世于100多年前，最早的应用是作为高温润滑剂的六方氮化硼，不仅其结构而且其性能也与石墨极为相似，且自身洁白，所以俗称：白石墨。

氮化硼（BN）陶瓷是早在1842年被人发现的化合物。国外对BN材料从第二次世界大战后进行了大量的研究工作，直到1955年解决了BN热压方法后才发展起来的。美国金刚石公司和联合碳公司首先投入了生产，1960年已生产10吨以上。

1957年R·H·Wentrof率先试制成功CBN，1969年美国通用电气公司以商品Borazon销售，1973年美国宣布制成CBN刀具。 

1975年日本从美国引进技术也制备了CBN刀具。

1979年首次成功采用脉冲等离子体技术在低温低压卜制备崩c—BN薄膜。

20世纪90年代末，人们已能够运用多种物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）的方法制备c-BN薄膜。

从中国国内看，发展突飞猛进，1963年开始BN粉末的研究，1966年研制成功，1967年投入生产并应用于我国工业和尖端技术之中。

物质特性

CBN通常为黑色、棕色或暗红色晶体，为闪锌矿结构，具有良好的导热性。硬度仅次于金刚石，是一种超硬材料，常用作刀具材料和磨料。 

氮化硼具有抗化学侵蚀性质，不被无机酸和水侵蚀。在热浓碱中硼氮键被断开。1200℃以上开始在空气中氧化。真空时约2700℃开始分解。微溶于热酸，不溶于冷水，相对密度2.29。压缩强度为170MPa。在氧化气氛下最高使用温度为900℃，而在非活性还原气氛下可达2800℃，但在常温下润滑性能较差。氮化硼的大部分性能比碳素材料更优。对于六方氮化硼：摩擦系数很低、高温稳定性很好、耐热震性很好、强度很高、导热系数很高、膨胀系数较低、电阻率很大、耐腐蚀、可透微波或透红外线。

物质结构

氮化硼六方晶系结晶，最常见为石墨晶格，也有无定形变体，除了六方晶型以外，氮化硼还有其他晶型，包括：菱方氮化硼（r-BN)、立方氮化硼（c-BN）、纤锌矿型氮化硼（w-BN)。人们甚至还发现像石墨稀一样的二维氮化硼晶体。

通常制得的氮化硼是石墨型结构，俗称为白色石墨。另一种是金刚石型，和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨型氮化硼在高温（1800℃）、高压（8000Mpa）[5~18GPa]下可转变为金刚型氮化硼。是新型耐高温的超硬材料，用于制作钻头、磨具和切割工具。

应用领域

1. 金属成型的脱模剂和金属拉丝的润滑剂。

2. 高温状态的特殊电解、电阻材料。

3. 高温固体润滑剂，挤压抗磨添加剂，生产陶瓷复合材料的添加剂，耐火材料和抗氧化添加剂，尤其抗熔融金属腐蚀的场合，热增强添加剂、耐高温的绝缘材料。

4. 晶体管的热封干燥剂和塑料树脂等聚合物的添加剂。

5. 压制成各种形状的氮化硼制品，可用做高温、高压、绝缘、散热部件。

6. 航天航空中的热屏蔽材料。

7. 在触媒参与下，经高温高压处理可转化为坚硬如金刚石的立方氮化硼。

8. 原子反应堆的结构材料。

9. 飞机、火箭发动机的喷口。

10.高压高频电及等离子弧的绝缘体。

11.防止中子辐射的包装材料。

12.由氮化硼加工制成的超硬材料，可制成高速切割工具和地质勘探、石油钻探的钻头。

13.冶金上用于连续铸钢的分离环，非晶态铁的流槽口，连续铸铝的脱模剂。

14.做各种电容器薄膜镀铝、显像管镀铝、显示器镀铝等的蒸发舟。

15.各种保鲜镀铝包装袋等。

16.各种激光防伪镀铝、商标烫金材料，各种烟标，啤酒标、包装盒，香烟包装盒镀铝等等。

17.化妆品用于口红的填料，无毒又有润滑性，又有光泽。

未来前景

由于钢铁材料硬度很高，因而加工时会产生大量的热，金刚石工具在高温下易分解，且容易与过渡金属反应，而c-BN材料热稳定性好，且不易与铁族金属或合金发生反应，可广泛应用于钢铁制品的精密加工、研磨等。c-BN除具有优良的耐磨性能外，耐热性能也极为优良，在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、铁合金、淬火钢等，并且能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的Si-Al合金等。实际上，由c-BN晶体（高温高压合成)的烧结体做成的刀具、磨具已应用于各种硬质合金材料的高速精密加工中。

c-BN作为一种宽禁带（带隙6.4 eV）半导体材料，具有高热导率、高电阻率、高迁移率、低介电常数、高击穿电场、能实现双型掺杂且具有良好的稳定性，它与金刚石、SiC和GaN一起被称为继Si、Ge及GaAs之后的第三代半导体材料，它们的共同特点是带隙宽，适用于制作在极端条件下使用的电子器件。与SiC和GaN相比，c-BN与金刚石有着更为优异的性质，如更宽的带隙、更高的迁移率、更高的击穿电场、更低的介电常数和更高的热导率。显然作为极端电子学材料，c-BN与金刚石更胜一筹。然而作为半导体材料金刚石有它致命的弱点，即金刚石的n型掺杂十分困难（其n型掺杂的电阻率只能达到102 Ω·cm，远远未达到器件标准），而c-BN则可以实现双型掺杂。例如，在高温高压合成以及薄膜制备过程中，添加Be可得到P型半导体；添加S、C、Si等可得到n型半导体。因此综合看来c-BN是性能最为优异的第三代半导体材料，不仅能用于制备在高温、高频、大功率等极端条件下工作的电子器件，而且在深紫外发光和探测器方面有着广泛的应用前景。事实上，最早报道了在高温高压条件下制成的c-BN发光二极管，可在650℃的温度下工作，在正向偏压下二极管发出肉眼可见的蓝光，光谱测量表明其最短波长为215 nm（5.8 eV）。c-BN具有和GaAs、Si相近的热膨胀系数，高的热导率和低的介电常数，绝缘性能好，化学稳定性好，使它成为集成电路的热沉材料和绝缘涂覆层。此外c-BN具有负的电子亲和势，可以用于冷阴极场发射材料，在大面积平板显示领域具有广泛的应用前景。

在光学应用方面，由于c-BN薄膜硬度高，并且从紫外（约从200 nm开始）到远红外整个波段都具有高的透过率，因此适合作为一些光学元件的表面涂层，特别适合作为硒化锌（ZnSe）、硫化锌（ZnS）等窗口材料的涂层。此外，它具有良好的抗热冲击性能和商硬度，有望成为大功率激光器和探测器的理想窗窗口材料。

什么是氧化铝？

     氧化铝(aluminium oxide)是一种无机物，化学式Al2O3，是一种高硬度的化合物，熔点为2054℃，沸点为2980℃，在高温下可电离的离子晶体，常用于制造耐火材料。

工业氧化铝是由铝矾土（Al2O3·3H2O）和硬水铝石制备的，对于纯度要求高的Al2O3，一般用化学方法制备。Al2O3有许多同质异晶体，已知的有10多种，主要有3种晶型，即α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3。其中结构不同性质也不同，在1300℃以上的高温时几乎完全转化为α-Al2O3。

氧化铝是铝的稳定氧化物，化学式为Al2O3。在矿业、制陶业和材料科学上又被称为矾土。

分子结构图

性状：难溶于水的白色固体，无臭、无味、质极硬，易吸潮而不潮解（灼烧过的不吸湿）。氧化铝是典型的两性氧化物（刚玉是α形属于六方最密堆积，是惰性化合物，微溶于酸碱耐腐蚀 [1] ），能溶于无机酸和碱性溶液中，几乎不溶于水及非极性有机溶剂；相对密度(d204）4.0；熔点2050℃。

储存：密封干燥保存。

用途：用作分析试剂、有机溶剂的脱水、吸附剂、有机反应催化剂、研磨剂、抛光剂、冶炼铝的原料、耐火材料。

氧化铝含有元素铝和氧。若将铝矾土原料经过化学处理，除去硅、铁、钛等的氧化物而制得的产物是纯度很高的氧化铝原料，Al2O3含量一般在99%以上。矿相是由40%～76%的γ- Al2O3和24%～60%的α- Al2O3组成。γ- Al2O3于950～1200℃可转变为α- Al2O3，同时发生显著的体积收缩。

什么是氢氧化铝?

      氢氧化铝是一种无机物，化学式Al(OH)3，是铝的氢氧化物。氢氧化铝既能与酸反应生成盐和水又能与强碱反应生成盐和水，因此它是一种两性氢氧化物。由于又显一定的酸性，所以又可称之为铝酸（H3AlO3）。但实际与碱反应时生成的是四羟基合铝酸盐（[Al(OH)4]-）。因此通常在把它视作一水合偏铝酸（HAlO2·H2O），按用途分为工业级和医药级两种。

基本性质

CAS号：21645-51-2

分子式：Al(OH)3

分子量：78.004

精确质量：77.98980

PSA：60.69000。

物化性质

外观与性状：白色非晶形的粉末

密度：2.40g/cm3

熔点：300℃

水溶解性：不溶

储存条件：库房通风低温干燥

氢氧化铝与酸反应：Al(OH)3+3HCl → AlCl3+3H2O

Al(OH)3+3H+ →Al3++3H2O

氢氧化铝与碱反应：Al(OH)3+NaOH → Na[Al(OH)4]

氢氧化铝在碱性环境中异构反应：Al(OH)3→HAlO2+H2O

Al(OH)3+OH-→AlO2-+2H2O

氢氧化铝受热分解：

氢氧化铝水中两种电离：

1、Al(OH)3⇋Al3+ + 3OH-（碱式电离）

2、Al(OH)3+H2O⇋[Al(OH)4]-+H+（酸式电离）

其中的[Al(OH)4]-中学上习惯写成AlO2-，但是实际上这是错误的。

一般所谓的氢氧化铝实际上是指三氧化二铝的水合物。如向铝盐溶液中加入氨水或弱碱而得到的白色胶状沉淀，其含水量不定，组成也不均匀，统称为水合氧化铝。只有在铝酸盐溶液中（含有Al(OH)4-离子）的溶液中通CO2才可得到真正的氢氧化铝。

结晶的氢氧化铝与水合氧化铝不同，难溶于酸，加热到373K也不脱水，在573K加热2h才能转变为偏氢氧化铝AlO(OH)。

氢氧化铝属两性氢氧化物。由于其存在两种电离形式，既是弱酸，可以有酸式化学式H3AlO3，又是弱碱，可以有碱式化学式Al(OH)3。氢氧化铝具有两性，既能与酸反应又能与碱反应。

氢氧化铝的酸性在于它是路易斯酸可以加合OH-，从而体现碱性

Al(OH)3由于两种电离的存在，可以产生两种盐：铝盐和偏铝酸盐：

⒈铝盐：AlCl3、KAl(SO4）2·12H2O（明矾），它们的水溶液因Al3+的水解而显酸性

2.偏铝酸盐，NaAlO2、KAlO2，它们的水溶液呈碱性：AlO- + 2H2O → Al(OH)3 + OH- 当两类盐混合时，即发生双水解反应，生成 Al(OH)3。

Al3+ + 3 AlO-+ 6H2O = 4Al(OH)3↓

氢氧化铝主要有325目、800目、1250目、5000目四个规格。白色粉末状固体。几乎不溶于水，能凝聚水中的悬浮物，吸附色素。

氢氧化铝是用量最大和应用最广的无机阻燃添加剂。氢氧化铝作为阻燃剂不仅能阻燃，而且可以防止发烟、不产生滴下物、不产生有毒气体，因此，获得较广泛的应用，使用量也在逐年增加。使用范围：热固性塑料、热塑性塑料、合成橡胶、涂料及建材等行业。同时，氢氧化铝也是电解铝行业所必需氟化铝的基础原料，在该行业氢氧化铝也是得到非常广泛应用。

高端氮化硼-氧化铝-氢氧化铝

一

氮化硼

二

氧化铝

1、导热氧化铝

 

2、球形氧化铝

 

三

氢氧化铝