Processamento de nitreto de alumínio (AIN) em meio aquoso

Abstract

O presente trabalho teve como objectivo principal o estudo das condições experimentais conducentes à viabilização do processamento de pós de AlN em meio aquoso, e à sinterização das peças consolidadas a temperaturas inferiores (1750ºC) às normalmente usadas (1900ºC). As propriedades finais das amostras processadas em meio aquoso, designadamente a condutividade térmica, deveriam ser comparáveis às das amostras de AlN actualmente processadas em meio orgânico. Para o efeito, a superfície dos pós de AlN foi protegida contra as reacções de hidrólise usando duas substâncias de natureza hidrofílica: ácido fosfórico e di-hidrogenofosfato de alumínio. A ligação destas espécies químicas à superfície das partículas do AlN e a sua eficácia na protecção da hidrólise foi avaliada por espectroscopia de infravermelho, Ressonância Magnética Nuclear (RMN) e medição do pH de uma suspensão ao longo do tempo. Ambas as substâncias permitiram evitar as reacções de hidrólise, embora o di-hidrogenofosfato de alumínio, por possuir uma ligação à superfície mais forte, se tenha mostrado mais eficaz, sendo por isso a espécie adoptada para o tratamento do AlN e posterior prossecução do trabalho. Com o pó de AlN assim tratado, foi possível preparar suspensões estabilizadas contendo 50- vol.% de sólidos na presença de ligantes e plastificantes, que permitiram o processamento por várias técnicas coloidais: enchimento por barbotina (slip casting), granulação de pós por aspersão-congelamento-liofilização (freeze granulation) e preparação de cintas (tape casting). As peças obtidas foram posteriormente sinterizadas a 1750ºC, usando como aditivos de sinterização o CaF2 e o YF3. Testaram-se diferentes quantidades e proporções, tendo-se verificado que a mistura 3-wt% YF3 + 2-wt% CaF2 era aquela que, de um modo geral, permitia obter os valores de condutividade térmica mais elevados para as amostras preparadas pelas três técnicas de processamento. A microestrutura das amostras e as fases secundárias formadas foram avaliadas por Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM), Microscopia Electrónica de Transmissão (TEM) e Difracção de raios-X (DRX). Os valores de condutividade térmica das amostras obtidas pelas diferentes técnicas de processamento e sinterizadas nas mesmas condições foram os seguintes: 115 W m-1 K-1 para as amostras obtidas por enchimento por barbotina, 140 W m-1 K-1 para as amostras prensadas a partir de grânulos e 200 W m-1 K-1 para as cintas. A presença de carbono, resultante da queima incompleta das substâncias orgânicas (ligantes e plastificantes) durante a pré-sinterização, e a distância a percorrer pelas espécies gasosas ricas em oxigénio são os principais factores que controlam a concentração final de oxigénio nas fronteiras de grão e na rede cristalina e, consequentemente, a condutividade térmica.

The present work aims at processing AlN in aqueous media and sintering the obtained samples at lower temperatures (1750ºC) than those usually used (1900ºC), keeping or even improving the final properties, namely thermal conductivity, usually obtained from organic processing. In order to protect AlN powder against hydrolysis, two hydrophilic substances, phosphoric acid and aluminium di-hydrogenphosphate, were tested. The nature of the bonding of these species to the AlN particles surface and their ability to avoid hydrolysis reactions were evaluated by Fourier Transformed Infrared (FT-IR) and Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (RMN), and by monitoring the pH of the AlN suspension with time. Although both species allowed controlling hydrolysis reactions, aluminium di-hydrogenphosphate was selected for further progress of the work due to its stronger bonding to the AlN particles surface and consequently, to the higher stability of the astreated powder in aqueous media. It was possible to prepare stabilised AlN suspensions with 50-vol.% solids loading using AlN treated powder in presence of binders and plasticizers, which allows to process samples by different colloidal shaping techniques: slip casting, freeze powders granulation and tape casting. The obtained samples were then sintered at 1750ºC using CaF2 and YF3 as sintering aids. Different amounts and proportions were tested, with the highest thermal conductivity values being generally obtained for the mixture 3-wt% YF3 + 2-wt% CaF2 for the samples prepared by the different shaping techniques and sintered under the same conditions. The microstructural features and the secondary phases of the sintered samples were evaluated by Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM) and X-Ray Diffraction (DRX). The thermal conductivity of the samples prepared by slip casting, pressing of granules obtained by freeze granulation and tape casting are 115 W m-1 K-1, 140 W m-1 K-1 and 200 W m-1 K-1, respectively. The presence of carbon remaining from the burnout of the organic species (binder and plasticizer) and the diffusion path length that the oxygen rich species have to cross to be released from the grain boundaries were regarded as the main factors determining the final oxygen concentrations at the grain boundaries and crystalline lattice and, therefore, for the thermal conductivity values of the samples.