El rápido desarrollo de tecnologías como la inteligencia artificial, las comunicaciones 5G y los vehículos de nueva energía ha llevado a un aumento continuo de la densidad de potencia y los niveles de integración en los dispositivos electrónicos, lo que hace que la "disipación de calor" sea un factor clave que limita el rendimiento del dispositivo. En comparación con los materiales tradicionales como Al₂O₃, BeO y SiC, el AlN (nitruro de aluminio), con su excelente conductividad térmica, alta resistencia mecánica, buena adaptación a la expansión térmica, estabilidad química, no-toxicidad, baja constante dieléctrica y alta resistividad eléctrica, se ha convertido en un material fundamental para el embalaje electrónico y la gestión térmica. Sin embargo, el polvo de AlN es propenso a la hidrólisis en aplicaciones prácticas. Cuando se expone al aire húmedo, su superficie sufre una reacción irreversible con el agua, produciendo hidróxido de aluminio [Al(OH)₃], AlOOH y otros productos. Esto conduce a vacantes de nitrógeno, aumento de la porosidad y contenido de oxígeno en las cerámicas de AlN sinterizadas posteriormente, una caída significativa en la conductividad térmica e incluso la liberación de gas amoníaco durante el uso, lo que puede afectar los componentes circundantes (por ejemplo, envenenamiento de los catalizadores de platino). Por lo tanto, encontrar métodos antihidrólisis adecuados es crucial para el desarrollo de AlN.
Comportamiento de hidrólisis del nitruro de aluminio
El comportamiento de hidrólisis del AlN se puede dividir a grandes rasgos en tres etapas características:
(1) Período de inducción: el compuesto de hidróxido amorfo (AHC) pre- existente en la superficie de AlN se disuelve lentamente y el pH permanece en gran medida estable (con una duración de 17 a 180 minutos a temperatura ambiente; el período de inducción desaparece a 90 grados).
(2) Período de reacción rápida: después de que el AHC se disuelve, la superficie de AlN queda expuesta y sufre una rápida hidrólisis para formar AlOOH amorfo, que posteriormente se transforma en boehmita cristalina (AlOOH). El pH aumenta bruscamente a 9-10.
(3) Período de estabilización del producto: a bajas temperaturas (22 a 50 grados), la boehmita se disuelve y recristaliza aún más en bayerita (-Al(OH)₃). A altas temperaturas (80 a 90 grados), la boehmita permanece estable y no se forma bayerita.
Factores clave que influyen en el proceso de hidrólisis
1. Factores ambientales: El medio ambiental es un factor clave que determina la duración de cada etapa y la naturaleza de los productos de la hidrólisis.
(1) Temperatura: Fukumoto et al. encontró que cuando la temperatura es inferior a 77,85 grados, el producto final de la hidrólisis es Al(OH)₃; Por encima de 77,85 grados, el producto principal es AlOOH. Los ácidos fuertes (p. ej., HCl) o bases fuertes (p. ej., NaOH) aceleran la hidrólisis, mientras que los ácidos moderadamente fuertes (p. ej., H₃PO₄) pueden inhibir la hidrólisis formando una capa protectora de fosfato.
(2) pH: Kocjan descubrió que el pH inicial no cambia la tasa de hidrólisis general, pero a pH=10 se elimina el período de inducción (el AHC amorfo no puede existir de manera estable en condiciones alcalinas). En ambientes ácidos de pH=1–3, los iones H⁺ pueden combinarse con OH⁻ en la superficie de AlN, retrasando la hidrólisis.
(3) Atmósfera: Hou et al. estudiaron ambientes de alta-temperatura (1000-1150 grados) y descubrieron que debido a que el H₂O promueve la difusión interna de H⁺, la tendencia a la hidrólisis/oxidación del AlN es mayor en una atmósfera de Ar-20% en volumen de H₂O, con un aumento de masa del 21,1% después de 15 h. En una atmósfera de aire con 20 % en volumen de H₂O, el O₂ compite con el H₂O, lo que da como resultado un aumento de masa de solo el 12,0 %, lo que indica que el oxígeno suprime la hidrólisis a alta temperatura.
2. Tamaño de las partículas: los estudios han demostrado que la velocidad de hidrólisis del AlN de tamaño nano-es de 5 a 10 veces más rápida que la del AlN de tamaño submicrónico-. La hidrólisis se inicia en defectos de la superficie, como escalones, lo que demuestra la influencia significativa del tamaño de las partículas y la morfología de la superficie en la cinética de la hidrólisis.
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), mientras que el período de inducción para AlN preparado por nitruración directa es de sólo 6 h.