Eyüp YAYLACI

Alüminyum Nitrür

Alüminyum nitrür ilk olarak 1877 yılında sentezlenmiş ancak ticari manada yüksek ısıl iletkenlinin yanı sıra elektriksel yalıtım özelliği sebebi ile 1980’lerde ticari üretimine başlanmıştır.

Nitrür seramikler önem kazanmakta olan yüksek sıcaklık malzemeleridir. AlN şeklinde formülize edilen alüminyum nitrür;  ergimiş metalin neden olduğu rutubetin kolayca meydana gelmemesi,  200 °C civarındaki yüksek sıcaklıktaki nonoksit atmosferlere karşı yüksek kararlılığı ve termal etkilenme direnci yüksek olmasından dolayı endüstriyel refrakter malzemesi olarak faydalı olması beklenen yeni ileri teknoloji seramiklerdir.  Alüminyum nitrür yeni teknik seramik olarak adlandırılsa da uzun bir geçmişe sahiptir.

Alüminyum Nitratın Kristal Yapısı

Elde Edilişi:

Serpek Metodu boksit ve kok toz karışımının 1700 °C civarında nitrojen atmosferinde sinterlenmesidir. Serpek metodunun bir diğer adı karbotermik yöntemle indirgeme reaksiyonudur[3].  Boksit ve kok toz karışımına az miktarda sinterlemeyi kolaylaştıran katkı maddesi ilave edilmesi halinde sinterleme sıcaklığı düşer.  Bu metoda göre alüminyum nitrür aşağıdaki reaksiyona göre sentezlenir.

Al2O3 + 3C + N2 ————————> 2AlN + 3CO

Bu metodun kullanımı Harber Metodunun gelişmesiyle son bulmuştur fakat alüminyum nitrür öyle fiziksel ve kimyasal özellikler göstermiştir ki;  endüstriyel kullanım araştırmaları devam etmektedir.

Mevcut literatür dikkatle incelendiğinde alüminyum nitrür elde etme yöntemleri aşağıdaki reaksiyonlarla ifade edilebilir.

1.  Al2O3 + 3 C + N2 ————————>  2 AIN + 3 CO (1700°C)

2.  Al + 1/2 N2 ————————>AlN   700 °C

3.  Al + NH3 ————————> AlN + 3/2  H2

4.  AlCl3 + NH3————————>AlN + 3 HCl     1000-1800  °C

5.  AlP + NH3————————> AlN + P + 3/2 H2 1000-1100  °C

6.  SbN + AlBr3————————> AlN + SbBr3

7.  AlH3 + NH3————————> AlN + 3 H2 500 °C

8.  Al2S3 + N2 ————————> 2 AlN + 3 S     1750 °C

Yukarıdaki reaksiyonların kontrolleri neticesinde şu sonuçlar elde edilmiştir:

1. reaksiyondan elde edilen ürün muhtemelen önemli miktardaki karbon içeriği nedeniyle kirlidir ve bundan dolayı uygun değildir.

3. , 4. , 8. reaksiyonlar kötü ürün oluşmasına ilaveten reaksiyon için yüksek sıcaklık gereksinimi nedeniyle cazip değildir.

6. ve 7. reaksiyonlar için birçok pratik farklılık ortaktır ve bu reaksiyonlar geniş ölçekli üretimler için elverişsizdir.

2. ve 5. reaksiyonlardan geniş ölçekli süreçler için saf ve daha kullanışlı ürünler meydana gelmektedir.

Faydalı malzeme üretmek için sinterlenmiş ürün yapılmalıdır,  bunun için sıcak presleme,  standart basınç sinterlemesi,  reaksiyon sinterlemesi ve diğer metotlar mevcuttur.  Yüksek yoğunluklu sinterlenmiş ürün 1800-2000 °C ’de basınç altında sıcak preslemeyle elde edilebilir.

Alüminyum nitrürün nonoksit seramiklere göre oldukça yüksek iyonik bir bileşik olmasına karşın malzeme transferi bir dereceye kadar bağımsız bir şekilde ilerler ve sıcak preslemenin dış basıncı gibi kuvvetler yoğunlaşmaya yardımcı olur.

Standart basınç sinterlemesi Y2O3,  CaF2,  Al2O3,  SiO2,  CaO,  La2O3 gibi sinterlemeyi kolaylaştıran katkıların kullanılmasıyla yaklaşık 1600 °C ’de meydana gelir.  Reaksiyon sinterlemesi,  nitrürlenme sonucu yoğun bir ürün elde etme metodudur.  Hatta nitrürlenme sisteminin ısıl üretimi kontrol edilirse bünyedeki porların belirli miktarı olduğu gibi kalır ve sadece kolay sinterlenmiş ürünler elde edilebilir,  çünkü reaksiyon ekzotermik bir reaksiyondur.

Elektriksel Özellikler

Birim

Değer

Dielektrik Direnci

V/m

15.106

Dielektrik Sabiti

—@ 1MHz

9

Dağılma (Yayma) Faktörü

—@ 1MHz

0.0003

Sürtünme Kaybı

—@ 1MHz

0.0001-0.001

Elektrik Direnci

Ohm-cm

>1014

Tablo 1. Alüminyum nitrürün elektriksel özellikleri

Mekaniksel  Özellikler

Birim

Değer

Esneme Dayanımı

Mpa

320

Elastik Modülü

Gpa

330

Poisson’s Oranı

——-

0.24

Basma Dayanımı

Mpa

2100

Young Modülü

Gpa

310

Kırılma Tokluğu (KIC)

MPa.m½

2.6

Tablo 2.  Alüminyum nitrürün mekaniksel özellikleri

Termal Özellikler

Birim

Değer

Termal İletkenlik

W/m.ºK

140-200

Termal Genleşme Katsayısı

10-6 / ºC

4.5

Spesifik Isı

J/Kg.ºK

740

Süblimleşme sıcaklığı

°C

2500

Yüksek kondisyonla Kull. Sıc.

°C

1000-1800

Tablo 3. Alüminyum nitrürün termal özellikleri

Fiziksel Özellikler

Birim

Değer

Yoğunluk

gr/cm3

3,26

Sertlik

kg/mm2

1150

Renk

——–

Beyaz-gri

Porozite

%

0

Kristal sistem

——–

Hegzagonal

Tablo 4.Alüminyum nitrürün fiziksel özellikleri

Kimyasallara Karşı Dayanım

Konsantre asitlere karşı dayanım

Zayıf

Sulu asitlere karşı dayanım

İyi

Alkalilere karşı dayanım

İyi

Metallere karşı dayanım

Güzel

Tablo 5. Alüminyum nitrürün kimyasallara karşı dayanımı

Termal iletkenlik,  direnç ve ısı dayanımının kombinasyonu alüminyum nitrürü çok faydalı bir malzeme yapar.

Alüminyum nitrür hegzagonal kristal yapısına sahip olan kovalent bağlı bir malzemedir.  Sinterlemeye yardımcı katkıların kullanımı ve sıcak presleme yoğun bir malzeme meydana getirmek için gereklidir.  Alüminyum nitrür inert atmosferlerde çok yüksek sıcaklılara karşı stabildir.  Havada yüzey oksitlenmesi 700 ºC ’nin üzerideki sıcaklıklarda ortaya çıkar.  Metaryali koruyan alüminyum oksit tabakası 1370 ºC ’nin üzerindeki sıcaklıklarda oluşur.  Bu sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda hacim ( bulk ) oksitlenmesi meydana gelir.

Alüminyum nitrür hidrojen karbon oksit ve buhar atmosferlerinde 980 ºC ’nin üzerindeki sıcaklıklarda stabildir.

Alüminyum nitrür mineral asitleri içerisinde tane sınırları içerisine nüfuzdan dolayı ve kuvvetli alkaliler içerisinde alüminyum nitrür taneleri üzerine ataktan dolayı yavaş bir şekilde çözünür.  Materyal suda yavaş bir şekilde hidroliz olur.  Bu malzeme toksik olmayışı nedeniyle berilyaya ( BeO ) alternatiftir.  Alüminyum nitrürü birçok elektronik uygulamada alümina ve berilyanın yerine kullanmaya yardımcı olan metalizasyon metotları mevcuttur.

1200°C  AlN  tane sınırlarında büyüyen grafit yapısı SEM resimleri (a), 1300 °C (b), 1400°C (c), 1500°C (d) ve 1600 °C (e)

Alüminyum Nitrürün Kullanım Alanları ve Uygulamaları

Elektronik ve Yapısal Seramik Olarak AlN

Alüminyum nitrür ( AlN ) yüksek termal iletkenlik,  düşük termal genleşme,  iyi dielektrik direnci,  korozyon ve aşınma direnci ve yüksek sertlik gibi önemli elektriksel ve termal özelliklere sahip olan bir malzemedir.

AlN tozları % 100 teorik yoğunluk ve yüksek termal iletkenlik için sinterlenir.  Metalik ve oksijen kirlilikleri düşük seviyelerde tutularak mamule maksimum performans sağlanır.

Ürün Karakteristikleri :

  1. Termal iletkenlik yüksektir.

  2. Oksijen içeriği düşüktür.

  3. Kimyasal saflık yüksektir.

  4. Ekonomiktir.

  5. Dielektrik direnci yüksektir.

  6. Preslenecek bölümler püskürtmeli kurutucuyla elde edilebilir.

  7. Sinterlemeye ve sıcak preslemeye uygundur,  enjeksiyonla şekillendirilebilir

  8. Yarı şeffaf yapılı olabilirler.

  9. Suya dirençli tozlar elde edilebilir.

Uygulamaları :

  1. Termal iletkenliği yüksek seramikler.

  2. SiAlON alaşımlar.

  3. Elektronik paketler için tabanlar.

  4. IC paketler.

  5. Fırın takımı ve parçaları.

  6. Termal iletken dolgular.

  7. Metal matris kompozitler.

  8. Ergimiş metal potaları ve kayıkları.

  9. Korozyona dirençli parçalar.

10.  Opto-elektronik aletler.

11.  Isı radyasyon plakaları.

12.  İzolatörler.

13.  Kaplamalar.

14.  Seramik zırhlar.

15.  Refrakter kaplamaları.

Refrakterlerde AlN

Alüminyum nitrür ( AlN ) yüksek termal iletkenlik,  düşük termal genleşme,  iyi dielektrik direnci, korozyon ve aşınma direnci ve yüksek sertlik gibi önemli elektriksel ve termal özelliklere sahip olan bir malzemedir.

Ürün Karakteristikleri:

  1. Termal şok direnci mükemmeldir

  2. Korozyon direnci mükemmeldir.

  3. Termal iletkenlik yüksektir.

  4. Ekonomiktir.

  5. Sertliği yüksektir.

  6. Suya dirençli tozlar elde edilebilir.

  7. Termal genleşme düşüktür.

Uygulamaları:

  1. Refrakter tuğlaları.

  2. Refrakter kaplamaları.

  3. Ergimiş metal potaları ve kayıkları.

  4. Fırın takımı ve parçaları.

  5. Korozyona dirençli parçalar.

  6. Alüminyum bağlantı parçaları.

  7. Fe+2 ’li uygulamalar.

  8. Sürgü plakaları.

Plastiklerde Dolgu Maddesi Olarak AlN

Alüminyum nitrür ( AlN ) yüksek termal iletkenlik,  düşük termal genleşme,  iyi dielektrik direnci,  korozyon direnci ve yüksek sertlik gibi önemli elektriksel ve termal özelliklere sahip olan bir malzemedir.  Bunun sonucunda polimerlerde termal dolgu maddesi olarak AlN ’ün kullanımı artmaktadır.

Ürün Karakteristikleri:

  1. Termal iletkenlik yüksektir.

  2. Oksijen içeriği düşüktür.

  3. Kimyasal saflık yüksektir.

  4. Ekonomiktir.

  5. Dielektrik direnci yüksektir.

  6. Suya dirençli tozlar elde edilebilir.

  7. Enjeksiyonla şekillendirilebilir.

Uygulamaları:

  1. Termal iletken dolgular.

  2. Isı radyasyon plakaları.

  3. İzolatörler.

Kaynaklar:

1-http://www.marketech-ceramics.com/pages/aln.html

2-http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=610

3-http://www.ceramic-substrates.co.uk/bespoke_ceramics/aluminium_nitride.html

4-http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_nitride

5- A. Claudel, E. Blanquet , D. Chaussende  “High-speed growth and characterization of AlN  polycrystalline layers by High Temperature Chemical Vapor Deposition (HTCVD)” Fransa

6- http:// www.anceram.de Aluminium Nitride Makalesi

Eyüp YAYLACI