高品质氮化铝粉体产业化与应用

20250327

新材料-半导体关键材料

主要功能： 氮化铝（AlN）具有高导热、低膨胀、绝缘等特性，在半导体、新能源、微电子、国防等领域具有不可替代的作用。AlN粉体制备条件苛刻，碳、氧等杂质控制困难，烧结致密化与组织性能调控难度大。长期以来，高品质AlN粉体及其高导热制品制备技术被日本、德国等少数国家垄断，严重制约我国高技术领域的发展。项目在国家自然基金、国家973计划、国防科研等项目支持下，开展了AlN粉体制备、组织性能调控与产业化关键技术的系统创新研究，解决了我国高品质AlN粉体及高导热制品的卡脖子问题，实现了自主化，主要发明点如下：（1）发明了“溶液合成+低温氮化”短流程制备AlN粉体的新方法，先合成出高活性的无定形“Al2O3＋C”前驱物再氮化，与传统“α-Al2O3+碳黑”氮化工艺相比，反应温度降低200300℃，时间缩短35小时，成本大幅降低。（2）发明了AlN粉体负压流动氮气氮化工艺，实现了Fe、Si、Ca等金属杂质精确控制；发明了“物理分离+化学煅烧”相结合的除碳技术，解决了“低碳”和“低氧”兼顾难题，制备出高比表面积、低碳低氧和低金属杂质含量的高品质AlN粉体，比表面积3.2cm2/g，氧含量仅0.54wt%，碳含量95ppm，金属杂质总量小于50ppm。（3）发明了AlN制品的第二相辅助“低温分步烧结”、“残碳控氧”等组织性能调控技术，将氧固于AlN晶界，从而净化晶格来提高导热，并实现高致密细晶化以提升强度，解决了导热与强度协同调控难题，强度457MPa，热导率达232 W·m-1·K-1。（4）开发出底吸式气氛反应炉、连续氮化与除碳反应炉、负压流动气氛排胶烧结一体炉等规模化生产装备，建立了自动化生产线，生产效率提高4倍，能耗降低50%以上，实现了产品高质量稳定控制。项目授权发明专利46项，实用新型专利30项，发表论文62篇。建成国内最大（600吨/年）的高品质AlN粉体生产线，国内市场占有率超70%，结束了中国高品质AlN粉体与高导热AlN制品长期依赖进口的历史。产品应用于中电科集团、航天集团、华为、比亚迪、日本丸和、德国舍弗勒、富乐华等国内外知名企业，用于新能源装备IGBT功率模块、半导体装备静电卡盘和加热器、高精度导航陀螺仪、电动赛车高性能电机等，满足了半导体行业和国防高端装备发展的需求。获中国创新创业大赛新材料组一等奖，入选了国家级专精特新小巨人企业和工信部制造业单项冠军企业。近三年，新增销售14.5亿元，新增利润1.7亿元。中国有色金属学会组织了包括6位院士的专家组对该成果进行评价：“创新性强，属于重要的军民两用技术”、“粉末产品的综合性能处于国际领先”、“复杂形状氮化铝构件工艺技术达到国际领先水平”。-

该项目针对高品质氮化铝粉体及其高导热制品制备技术长期被西方国家垄断的现状，开展了氮化铝粉体制备、组织性能调控与产业化关键技术的系统创新研究，攻克了氮化铝粉体工业化生产过程中多指标协同调控和制品近终形制造的难题，结束了中国高品质氮化铝粉体与高导热氮化铝制品长期依赖进口的历史。项目建成国内最大（600吨/年）的高品质氮化铝粉体生产线，产品成功应用于新能源装备IGBT功率模块、半导体装备静电卡盘和加热器、高精度导航陀螺仪、电动赛车高性能电机等，支撑了新能源汽车、高铁动车、5G通信、国防等战略性产业的发展，获2024年中国有色金属工业技术发明一等奖。