消費電子在實現智能化的同時逐步向輕薄化、高性能和多功能方向發展，其工作耗能和發熱量急劇增大，工作溫度向高溫方向迅速變化。為了保證電子產品可靠工作，必須使用具有較高散熱能力和較高導熱性能的材料。氮化鋁因具有陶瓷粉體的絕緣、低膨脹、高彈性模量、優異的化學穩定性等特點，又同時具有非常高的理論導熱系數（320 W/mK，約為氧化鋁的7-10倍），可用作導熱填料，滿足電子元器件可靠、穩定和長期工作的需要。然而在實際工業生產中，氮化鋁由于雜質和缺陷等的存在，其熱導率一般小于200W/mK，遠達不到理論值，限制了其使用。因此，把氮化鋁制成單晶狀的纖維材料，以此提升導熱性能，受到了許多研發人員的關注。

氮化鋁晶須作為導熱填料的優勢

相比傳統氮化鋁粉末，氮化鋁晶須不僅能夠在實際導熱性能上展現出極大的優勢，同時，作為一種具有高長徑比的一維材料，在構建導熱網絡上也具有獨特優勢。

1、實際熱導率或接近理論熱導率：

AlN作為一種絕緣填料，熱能以原子震動方式傳遞，屬于聲子導熱，因此聲子在它的導熱過程中扮演著重要角色。然而氮化鋁粉末中存在的氧、碳等雜質元素和少量的金屬離子雜質，會在其晶格中產生各種缺陷形式，這些缺陷會破壞晶格的周期性，使得聲子在傳播過程中容易被散射，降低聲子的平均自由程，從而降低熱導率，導致理論導熱傳熱效果與實際測試數據相差太遠。而氮化鋁晶須作為一種單晶纖維材料，具有很低的雜質含量，同時相比于多晶材料，其內部沒有晶界，從而避免了晶格缺陷和晶界對聲子傳播的阻礙，因此其在導熱方面展現出明顯優勢，甚至有可能達到或接近理論熱導率。

聲子的一維振動模型

2、可有效構筑導熱網絡

氮化鋁具有一維納米結構，長徑比可高達500，通常與其他形貌填料復配，有助于在低填充量的情況下在基體內形成連續的導熱路徑，減少界面熱阻，極大提高了復合材料的整體熱傳導效率。

氮化鋁晶須的微觀形貌及導熱系數與長徑比的關系（Ujiharaetal,JCrystalGrowth,2017,468,576）

氮化鋁晶須如何制備？

AlN晶體具有極高的熔點溫度（~3500K）和較大的分解壓，正常壓力條件下，AlN在熔化前即會發生分解，因此無法從熔體中生長AlN晶體。目前，研究人員普遍認可的AlN晶須的生長機制有VLS生長機制（Vapor-Liquid-Solid，氣-液-固）和VS生長機制。

①VLS生長機制一般需要使用催化劑，先使外加的氧化物或金屬催化劑與反應物形成少量的液相，隨后反應物以氣體形式通過擴散在氣－液界面溶于液相中，當液相中的反應物在達到飽和后從液－固界面析晶成核，隨著反應物氣體不斷擴散進入液滴內部，晶核沿著某一固定方向生長最終形成晶須。

②VS生長機制則是使體系中的氣態反應物達到飽和蒸氣壓后析晶成核，隨后AlN蒸氣在晶核表面發生沉積定向生長并形成晶須。

基于這兩種機制，AlN晶須的常見制備方法有直接氮化法、碳熱還原氮化法、燃燒合成法、升華法及化學氣相沉積法等。這些方法的合成機制、工藝復雜程度及所制備出的AlN晶須的結構和性能不盡相同，其中，直接氮化法、碳熱還原氮化法和燃燒合成法因具有工藝簡單和便于大規模生產的優點，而成為目前工業生產中常用的方法。

1、直接氮化法：

該方法基于VLS生長機制，以鋁粉作為原料，在高溫、氮氣氛圍下直接反應生成AlN晶須，具有成本低和工藝簡單的優點，適合大規模制備。不過，由于該方法在氮化過程中鋁粉易熔化結塊，導致原料的氮化率低，產物的純度低，可通過向原料中加入分散劑，基于VLS生長機制在高溫下下，使雜質形成液滴，鋁粉形成鋁蒸汽滲入液滴中，并與與游離態的氮反應逐漸析出氮化鋁晶須，可在一定程度上提高鋁粉的轉化率，但也在反應體系中引入了雜質。除此之外，Al金屬粉末與N₂反應過程中會產生大量的熱，導致反應急劇加速、晶體生長過程難以控制。

2、還原氮化法

還原氮化法是通過Al₂O₃與還原劑發生還原反應，還原產物再與氮源(氮氣或氨氣等)發生氮化反應生成氮化鋁。根據還原劑的不同，還原氮化法又可以分為碳熱還原法、氫熱還原法等。

一般來說，碳熱還原氮化法制備AlN晶須的工藝較為成熟，合成晶須的形貌較好，是目前商業生產AlN晶須應用較多的一種方法。該方法以碳（炭黑等）作為還原劑，若基于VS機制制備AlN晶須需要較高的反應溫度（通常為1500～1800℃）來使Al₂O₃還原形成鋁蒸汽。為了降低反應溫度，通常會加入一些特殊的鹽類或金屬等可以與體系內的其他成分形成低熔點物相為催化劑，通過VLS生長機制推動反應在較低溫度下進行。

而以氫氣為還原劑可以在相對較低的溫度下合成AlN晶須，但氫氣的價格相對較高，且氫熱還原過程易發生爆炸風險，其工藝條件尚需進一步的優化。

3、燃燒合成法

燃燒合成法又稱自蔓延高溫合成，是利用鋁與氮氣之間的放熱反應能來維持合成過程的技術，在這個過程中，當引入初始能量（如電火花或高溫點火）后，無需外部持續加熱，而是依靠反應本身釋放出大量的熱使反應自身持續進行下去，直至所有可用的反應物消耗殆盡，具有高效率、低成本的特點。

燃燒合成法的原理和直接氮化法基本相同，均是利用金屬鋁為原料直接和氮氣反應。與直接氮化法相比，燃燒合成法具有反應速度快及能耗低的特點，但燃燒合成法反應進行地更為劇烈，盡管基于VLS生長機制在制備過程中加入分散劑，也尚難以對反應過程進行有效地控制。

小結

氮化鋁晶須由于晶格缺陷少，實際熱導率高，且作為一維納米材料，在構筑導熱網絡上有著獨特的優勢，不過AlN晶須具有極高的熔點溫度（~3500K）和較大的分解壓，難以采用熔融法制備，目前工業的制備技術主要基于VLS生長機制，VS生長機制，有直接氮化法、還原氮化法（包括碳熱還原法、氫熱還原法等）、燃燒合成法等，其中直接氮化法、碳熱還原法、燃燒合成法雖各有優勢，但也分別存在因鋁粉易結塊而導致產物純度低、反應溫度高、反應過程難以控制等問題，往往需要加入催化劑、分散劑等基于VLS生長機制制備，而氫熱還原法雖可在較低溫度下基于VS機制生長出氮化鋁晶須，但存在一定的安全風險，仍需進一步研究。

參考來源：

1、王森,梁峰,田亮,等.氮化鋁晶須制備研究進展[J].耐火材料.

2、賈婧,張玉軍,肖勇全,等.氮化鋁晶須的制備工藝研究[J].中國陶瓷.

3、賈婧.氮化鋁晶須的制備技術研究[D].山東大學.

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