СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C01B21/72 

Изобретение относится к химической технологии получения неорганических веществ, в частности соединений алюминия.

Нитрид алюминия вещество, обладающее уникальными свойствами высокой теплопроводностью и электроизоляционными параметрами, что обеспечивает успешное его применение в микроэлектронике [1]
Из уровня техники известен целый ряд способов получения нитрида алюминия. Нитрид алюминия получают карботермическим восстановлением чистого оксида алюминия в атмосфере азота при температурах 1300 1700^oC [2-4] нитрированием мелкодисперсного (менее 10 мкм) алюминиевого порошка при 600 - 800^oC в атмосфере азота и/или аммиака [5] обработкой расплавленного алюминия в нейтральной атмосфере азотом при 1800 2300^oС [6] высокотемпературным нитрированием металлического алюминия или его галогенида в условиях электрического разряда или плазмы [7-9] контактированием восстанавливающейся соли или оксида алюминия при 450 1200^oC в среде расплавленных галогенных солей щелочных или щелочноземельных металлов [10] Получение монокристаллов нитрида алюминия возможно совместно с монокристаллами фторидов металлов путем контактирования на инертной поверхности нитридообразующего агента и соединения алюминия, имеющего валентность менее 3, причем это соединение предварительно получают реакцией газообразного фторида алюминия низшей валентности (субфторида) с парами металла [11] К пирометаллургическим относится и способ получения нитрида алюминия, заключающийся в нагревании алюминия и селена с получением летучего селенида алюминия, который потоком инертного газа переносится в высокотемпертатурную (1500^oC) зону, куда подают азот. Образующийся нитрид алюминия удаляют из реакционного пространства и отделяют.

Также известны и гидрометаллургические способы получения нитрида алюминия, заключающиеся в контактировании органических соединений алюминия с азотсодержащими соединениями и термообработке получаемых продуктов [13-15]
Наиболее близким к заявляемому является способ получения мелкодисперсного нитрида алюминия, описанный в [16] Способ включает контактирование азотсодержащего агента (азот или аммиак) при температуре 1200 1300^oС cо смесью газообразных хлоридов алюминия (I) и алюминия (III), получаемой при продувании газообразного хлорида алюминия (III) через разогретый до температуры 1000^oC и выше алюминийсодержащий материал. Образующийся в результате реакции в газовой фазе дисперсный нитрид алюминия с потоком газов выводят в холодильник, где производят отделение нитрида алюминия, из очищенного газа конденсируют трихлорид алюминия.

Изложенный способ позволяет за одну стадию получить чистый нитрид алюминия, но он не свободен от ряда недостатков. В качестве алюминийсодержащего материала, с помощью которого получают хлорид алюминия (I), рекомендовано использование материала, не расплавляющегося при вышеуказанных температурах, например, продукт восстановления боксита, содержащий около 50% (мас.) алюминия. Не исключается применение и чистого алюминия, но, как показывают эксперименты, введение газообразного хлорида алюминия (III) в ванну расплавленного алюминия затруднено из-за быстрого разрушения подводящей трубки. Высокая агрессивность хлорида алюминия (I) при повышенных температурах по отношению к практически всем конструкционным материалам известна и из литературы [17] Кроме того, хлорид алюминия (III) подвержен гидролизу, продукты гидролиза загрязняют получаемый нитрид алюминия и осложняют работу вакуум-насосов, обычно используемых при проведении подобных процессов [18, cтр. 192] Практическая реализация описанного способа осложняется также тем, что процент выхода хлорида алюминия (I) при использовании хлорида алюминия (III) при тех же условиях существенно ниже, чем, например, в случае применения фторида алюминия (III) [18, cтр. 184]
Задачей изобретения является упрощение технологии получения нитрида алюминия и повышение ресурса работы оборудования.

Задача решается за счет того, что в способе, включающем получение газообразного галогенида алюминия (I) путем взаимодействия газообразного галогенида алюминия (III) с жидким алюминием, контактирование галогенида алюминия (I) с азотсодержащим газом при температуре 1200 1300^oC с образованием мелкодисперсного нитрида алюминия, вывод реакционных газов, их охлаждение и отделение нитрида алюминия, газообразный галогенид алюминия получают загрузкой твердого фторида алюминия (III) в ванну расплавленного алюминия, причем температуру последнего поддерживают на уровне, обеспечивающем возгонку фторида алюминия (I).

Сущность изобретения заключается в следующем. Твердый фторид алюминия, полученный, например, сплавлением криолита с сульфатом алюминия и последующим выщелачиванием отделением и сушкой, имеет температуру сублимации 1276^oС и плотность выше плотности алюминия. Поэтому даже при загрузке фторида алюминия (III) на поверхность ванны он погружается на дно реактора. При сублимации фторида алюминия наблюдается интенсивное газообразование, при всплывании газовых пузырьков происходит реакция
AlF₃+2Al _→ 3AlF, (1)
причем, учитывая большую поверхность реагирования, процесс образования фторида алюминия (I) идет интенсивно. Выходящий на поверхность фторид алюминия (I) в смеси с непрореагировавшим фторидом алюминия (III) в верхней части реактора смешивается с азотсодержащим газом, например, азотом, и реагирует с ним с образованием нитрида алюминия
3AlF+N₂_→2AlN+AlF₃. (2)
Нитрид алюминия образуется как и в прототипе, в виде тонкодисперсной взвеси. Газы, содержащие взвесь нитрида алюминия, выводят из реактора в холодильник и охлаждают до 900^oC, при этом происходит осаждение нитрида алюминия параллельно с конденсацией фторида алюминия (III). Твердую фазу отделяют, нитрид алюминия рафинируют отгонкой фторида алюминия (III) при температуре до 1050^oC в вакууме или до 1300^oC в инертной атмосфере. Возможно проведение процесса с раздельным получением продуктов, если в технологическую цепочку после реактора включить осадитель нитрида алюминия, в котором поддерживается температура выше температуры сублимации фторида алюминия (III).

Способ иллюстрируется примерами выполнения.

Установка представляла из себя обогреваемый герметичный реактор емкостью 0,5 дм³ (навеска алюминия 1,2 кг). В верхнюю часть реактора через специальный дозатор равномерно загружали дисперсный фторид алюминия (III). Общий расход фторида алюминия (III) 150 г, скорость подачи 1,5 3 г/мин в зависимости от продолжительности опыта. В опытах 1 и 2 в газовую фазу реактора подавали аммиак либо азот, в опыте 3 аммиак подавали в дополнительный реактор, нагретый до 1200^oC, куда также подавали газы из основного реактора. Газы, содержащие нитрид алюминия и фторид алюминия (III) поступали в конденсатор, где производили осаждение твердой фазы при температуре 900^oC. Продукты конденсации подвергали рентгенофазовому анализу, подтвердившему получение во всех случаях нитрида алюминия.

Результаты экспериментов приведены в таблице.

Результаты экспериментов подтверждают решение задачи и промышленную осуществимость технологии.

Вариантом предлагаемого способа может быть реализация стадии контактирования фторида алюминия (I) с азотсодержащим газом путем пропускания последнего вдоль поверхности расплавленного алюминия, в который загружен фторид алюминия (III). Аналогичная технология применяется для получения высокочистого алюминия [18, c. 192-194]
Литература
1. Т.Я. Косолапова, Т.В. Андреева, Т.Б. Бортницкая и др. Неметаллические тугоплавкие соединения. М. Металлургия, 1985.

2. Заявка Японии N 595143, кл C 01 B 21/072, опублик. 14.12.84 г.

3. Заявка Великобритании N 2233969, МКИ C 01 B 21/072, опублик. 23.01.91 г.

4. Заявка Японии N 348123, кл. C 01 B 21/072, опубл. 23.07.91 г.

5. Заявка ФРГ N 3641754, кл. C 01 B 21/072, C 04 B 35/58, H 01 B 3/10, опублик. 16.06.88 г.

6. Заявка Великобритании N 2127709, кл. C 01 B 21/072, B 01 J 10/00, 19/12, опублик. 18.04.84 г.

7. Заявка Японии N 243683, кл. C 01 B 21/06, B 01 J 19/08, опублик. 01.10.90 г.

8. Европейская заявка N 0401972, кл. C 01 B 21/06, 21/064, 21/068, 21/072, 21/076, опублик. 12.12.90 г.

9. А.С. СССР N 1675201, кл. C 01 B 21/06, опублик. 07.09.91 г.

10. Патент США N 3450499, кл. C 01 B 21/06, опублик. 17.06.69 г.

11. Патент США N 3598526, кл. C 01 B 21/06, опублик. 10.08.71 г.

12. Патент США N 4172754, кл. C 01 B 21/06, опублик. 30.10.79 г.

13. Заявка Японии N 5413439, кл. C 01 B 21/06, опублик. 30.05.79 г.

14. Междугородная заявка N 89/01911, кл. c 01 B 21/06, опублик. 09.03.89 г.

15. Заявка ФРГ N 3828596, кл. C 01 B 21/072, C 04 B 35/38, 35/64, опублик. 11.05.89 г.

16. Европейский патент N 0308116, кл. C 01 B 21/072, опублик. 22.03.89 г.

17. С. А. Семенкович. Химические реакции моногалогенидов алюминия в парах.//ЖПХ. 1960, т.33 N 33, с.552.

18. А.И. Беляев, Г.Е. Вольфсон, Г.И. Хазарев, Л.А. Фирсанова. Получение чистого алюминия. М. Металлургия, 1967.

Способ относится к химической технологии получения нитрида алюминия, используемого в производстве радиоэлектронных компонентов. Способ заключается в загрузке фторида алюминия (III) на поверхность расплавленного металлического алюминия, при погружении фторид (III) реагирует с алюминием, с образованием летучего фторида алюминия (I). Последний реагирует в газовой фазе с азотсодержащим газом, с образованием твердого нитрида алюминия, который затем выделяют из газовой фазы. Способ позволяет повысить ресурс основного оборудования. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения нитрида алюминия, включающий получение газообразного галогенида алюминия (I) реакцией галогенида алюминия (III) с расплавленным алюминием, контактирование его с азотсодержащим газом при температуре 1200 - 1300^oС, вывод газообразных продуктов, их охлаждение и отделение мелкодисперсного нитрида алюминия, отличающийся тем, что получение галогенида алюминия (I) проводят путем загрузки твердого фторида алюминия (III) в ванну алюминия, причем температуру поддерживают на уровне выше температуры возгонки фторида алюминия (I). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контактирование галогенида алюминия (I) с азотсодержащим газом производится в отдельном реакторе при температуре выше температуры возгонки фторида алюминия (III).