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Aluminiumnitrid

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Aluminiumnitrid, Summenformel AlN, ist ein Härte nach Mohs von 9.

Aluminiumnitridkeramik

Aluminiumnitridkeramik wird üblicherweise bei Temperaturen von ca. 1800°C drucklos gesintert. Mit Hilfe geeigneter Sinteradditive kommt es hierbei zum Flüssigphasensintern. In der Praxis hat sich die Dotierung mit Calcium- und Yttriumoxid als Standardverfahren weitgehend durchgesetzt.

Da AlN-Keramik eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit von 180 W/mK besitzt, wird es vor allem in der Leistungselektronik als Substratwerkstoff verwendet. Weiterhin ist der Einsatz der AlN-Keramik an den Stellen interessant, an dem viel Wärme abgeführt werden muss, die Werkstoffe jedoch keinen elektrischen Strom leiten dürfen.

Aluminiumnitrid lässt sich auch durch physikalische Abscheideverfahren (PVD), sog. Sputtern, als Dünnschicht gewinnen. AlN ist schwach piezoelektrisch.

Synthese

Aluminiumnitridpulver lässt sich aus Aluminiumoxid, Stickstoff bzw. Ammoniak und Kohlenstoff im Überschuss bei einer Temperatur >1600°C in einer carbothermischen Reaktion darstellen:

:$\backslash mathrm\{2Al\_2O\_3\; +\; 9C\; +\; 4NH\_3\; \backslash to\; 4AlN\; +\; 3CH\_4\; +\; 6CO\}$

:$\backslash mathrm\{Al\_2O\_3\; +\; 3C\; +\; N\_2\; \backslash to\; 2AlN\; +\; 3CO\}$

Ein weiterer Weg ist die Direktnitridierung. Bei dieser Syntheseart wird metallisches Aluminium- bzw. Aluminiumoxidpulver bei Temperaturen > 900°C mit N₂ oder NH₃ zu AlN umgesetzt:

:$\backslash mathrm\{2Al\; +\; N\_2\; \backslash to\; 2AlN\}$

:$\backslash mathrm\{Al\_2O\_3\; +\; 2\; NH\_3\; \backslash to\; 2AlN\; +\; 3H\_2O\}$

Reaktionsverhalten

Aluminiumnitridpulver weist eine hohe Hydrolyseempfindlichkeit auf. Im Wasser ist eine unvollständige Spaltung von Aluminiumnitrid in Aluminiumhydroxid und Ammoniak zu beobachten. Gesinterte Keramik weist keine Hydrolyseempfindlichkeit auf. In Natronlauge zersetzt sich sowohl Aluminiumnitridpulver als auch gesinterte AlN-Keramik in Ammoniak und Aluminatlösung gemäß:

:$\backslash mathrm\{AlN\; +\; NaOH\; +\; 3H\_2O\; \backslash to\; NH\_3\; +\; Na[Al(OH)\_4]\}$

Weitere physikalische Eigenschaften

Folgende Eigenschaften gelten für die AlN-Festkörperphase. Die Eigenschaften von AlN-Dünnschichten sind stark prozessabhängig, so dass z. B. intrinsische mechanische Spannung auftreten und sich AlN in dünne Schichten durch andere mechanische und elektrische Eigenschaften auszeichnet.

Bruchfestigkeit: 300-400 MPa (4 Punkt Biegeversuch)
E-Modul: 350 GPa
Wärmeausdehnungskoeffizient: 4,63 x 10^-6 (RT bis 1850°C)
spezifische Wärme: 0,738 J/gK
Wärmeleitfähigkeit: 180 bis 220 W/mK

Quellen

Weblinks

• Physikalische Daten, Ioffe-Institut St.Petersburg, engl.
* http://www.sinteropt.de/
* http://www.anceram.de/
* http://www.ceramtec.de/

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