O rápido desenvolvimento de tecnologias como inteligência artificial, comunicações 5G e novos veículos energéticos levou ao aumento contínuo da densidade de potência e dos níveis de integração em dispositivos eletrônicos, tornando a "dissipação de calor" um fator chave que limita o desempenho do dispositivo. Comparado com materiais tradicionais como Al₂O₃, BeO e SiC, o AlN (nitreto de alumínio), com sua excelente condutividade térmica, alta resistência mecânica, boa compatibilidade de expansão térmica, estabilidade química, não-toxicidade, baixa constante dielétrica e alta resistividade elétrica, tornou-se um material crítico para embalagens eletrônicas e gerenciamento térmico. No entanto, o pó de AlN é propenso à hidrólise em aplicações práticas. Quando exposta ao ar úmido, sua superfície sofre uma reação irreversível com a água, produzindo hidróxido de alumínio [Al(OH)₃], AlOOH e outros produtos. Isso leva a vacâncias de nitrogênio, aumento da porosidade e do teor de oxigênio nas cerâmicas de AlN posteriormente sinterizadas, uma queda significativa na condutividade térmica e até mesmo a liberação de gás amônia durante o uso, o que pode afetar os componentes circundantes (por exemplo, envenenamento de catalisadores de platina). Portanto, encontrar métodos anti{9}}hidrólise adequados é crucial para o desenvolvimento de AlN.
Comportamento de hidrólise do nitreto de alumínio
O comportamento de hidrólise do AlN pode ser dividido em três estágios característicos:
(1) Período de indução: O composto hidróxido amorfo (AHC) pré-existente na superfície do AlN se dissolve lentamente e o pH permanece amplamente estável (com duração de 17 a 180 minutos em temperatura ambiente; o período de indução desaparece a 90 graus).
(2) Período de reação rápida: Após a dissolução do AHC, a superfície do AlN é exposta e sofre hidrólise rápida para formar AlOOH amorfo, que posteriormente se transforma em boemita cristalina (AlOOH). O pH aumenta acentuadamente para 9–10.
(3) Período de estabilização do produto: Em baixas temperaturas (22–50 graus), a boemita se dissolve e recristaliza em bayerita (-Al(OH)₃). Em altas temperaturas (80–90 graus), a boemita permanece estável e não se forma bayerita.
Fatores-chave que influenciam o processo de hidrólise
1. Fatores ambientais: O meio ambiental é um fator chave que determina a duração de cada etapa e a natureza dos produtos da hidrólise.
(1) Temperatura: Fukumoto et al. descobriram que quando a temperatura está abaixo de 77,85 graus, o produto final da hidrólise é Al(OH)₃; acima de 77,85 graus, o principal produto é AlOOH. Ácidos fortes (por exemplo, HCl) ou bases fortes (por exemplo, NaOH) aceleram a hidrólise, enquanto ácidos moderadamente fortes (por exemplo, H₃PO₄) podem inibir a hidrólise formando uma camada protetora de fosfato.
(2) pH: Kocjan descobriu que o pH inicial não altera a taxa geral de hidrólise, mas em pH=10 o período de indução é eliminado (AHC amorfo não pode existir de forma estável sob condições alcalinas). Em ambientes ácidos de pH=1–3, os íons H⁺ podem se combinar com OH⁻ na superfície do AlN, retardando a hidrólise.
(3) Atmosfera: Hou et al. estudaram ambientes de alta-temperatura (1000–1150 graus) e descobriram que, como o H₂O promove a difusão interna de H⁺, a tendência de hidrólise/oxidação do AlN é mais alta em uma atmosfera de Ar –20 vol% H₂O, com um aumento de massa de 21,1% após 15 h. Em uma atmosfera de ar com 20 vol% de H₂O, o O₂ compete com o H₂O, resultando em um aumento de massa de apenas 12,0%, indicando que o oxigênio suprime a hidrólise em alta-temperatura.
2. Tamanho de partícula: Estudos demonstraram que a taxa de hidrólise do AlN de tamanho nano-é 5 a 10 vezes mais rápida do que a do AlN de tamanho-submícron. A hidrólise inicia em defeitos superficiais, como etapas, demonstrando a influência significativa do tamanho das partículas e da morfologia da superfície na cinética da hidrólise.
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), enquanto o período de indução para AlN preparado por nitretação direta é de apenas 6 h.