消費電子在實現(xiàn)智能化的同時逐步向輕薄化、高性能和多功能方向發(fā)展，其工作耗能和發(fā)熱量急劇增大，工作溫度向高溫方向迅速變化。為了保證電子產(chǎn)品可靠工作，必須使用具有較高散熱能力和較高導熱性能的材料。氮化鋁因具有陶瓷粉體的絕緣、低膨脹、高彈性模量、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性等特點，又同時具有非常高的理論導熱系數(shù)（320?W/mK，約為氧化鋁的7-10倍），可用作導熱填料，滿足電子元器件可靠、穩(wěn)定和長期工作的需要。然而在實際工業(yè)生產(chǎn)中，氮化鋁由于雜質(zhì)和缺陷等的存在，其熱導率一般小于200W/mK，遠達不到理論值，限制了其使用。因此，把氮化鋁制成單晶狀的纖維材料，以此提升導熱性能，受到了許多研發(fā)人員的關(guān)注。

氮化鋁晶須作為導熱填料的優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)氮化鋁粉末，氮化鋁晶須不僅能夠在實際導熱性能上展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，同時，作為一種具有高長徑比的一維材料，在構(gòu)建導熱網(wǎng)絡(luò)上也具有獨特優(yōu)勢。

1、實際熱導率或接近理論熱導率：

AlN作為一種絕緣填料，熱能以原子震動方式傳遞，屬于聲子導熱，因此聲子在它的導熱過程中扮演著重要角色。然而氮化鋁粉末中存在的氧、碳等雜質(zhì)元素和少量的金屬離子雜質(zhì)，會在其晶格中產(chǎn)生各種缺陷形式，這些缺陷會破壞晶格的周期性，使得聲子在傳播過程中容易被散射，降低聲子的平均自由程，從而降低熱導率，導致理論導熱傳熱效果與實際測試數(shù)據(jù)相差太遠。而氮化鋁晶須作為一種單晶纖維材料，具有很低的雜質(zhì)含量，同時相比于多晶材料，其內(nèi)部沒有晶界，從而避免了晶格缺陷和晶界對聲子傳播的阻礙，因此其在導熱方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，甚至有可能達到或接近理論熱導率。

聲子的一維振動模型

2、可有效構(gòu)筑導熱網(wǎng)絡(luò)

氮化鋁具有一維納米結(jié)構(gòu)，長徑比可高達500，通常與其他形貌填料復(fù)配，有助于在低填充量的情況下在基體內(nèi)形成連續(xù)的導熱路徑，減少界面熱阻，極大提高了復(fù)合材料的整體熱傳導效率。

氮化鋁晶須的微觀形貌及導熱系數(shù)與長徑比的關(guān)系（Ujiharaetal,JCrystalGrowth,2017,468,576）

氮化鋁晶須如何制備？

AlN晶體具有極高的熔點溫度（~3500K）和較大的分解壓，正常壓力條件下，AlN在熔化前即會發(fā)生分解，因此無法從熔體中生長AlN晶體。目前，研究人員普遍認可的AlN晶須的生長機制有VLS生長機制（Vapor-Liquid-Solid，氣-液-固）和VS生長機制。

①VLS生長機制一般需要使用催化劑，先使外加的氧化物或金屬催化劑與反應(yīng)物形成少量的液相，隨后反應(yīng)物以氣體形式通過擴散在氣－液界面溶于液相中，當液相中的反應(yīng)物在達到飽和后從液－固界面析晶成核，隨著反應(yīng)物氣體不斷擴散進入液滴內(nèi)部，晶核沿著某一固定方向生長最終形成晶須。

②VS生長機制則是使體系中的氣態(tài)反應(yīng)物達到飽和蒸氣壓后析晶成核，隨后AlN蒸氣在晶核表面發(fā)生沉積定向生長并形成晶須。

基于這兩種機制，AlN晶須的常見制備方法有直接氮化法、碳熱還原氮化法、燃燒合成法、升華法及化學氣相沉積法等。這些方法的合成機制、工藝復(fù)雜程度及所制備出的AlN晶須的結(jié)構(gòu)和性能不盡相同，其中，直接氮化法、碳熱還原氮化法和燃燒合成法因具有工藝簡單和便于大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點，而成為目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的方法。

1、直接氮化法：

該方法基于VLS生長機制，以鋁粉作為原料，在高溫、氮氣氛圍下直接反應(yīng)生成AlN晶須，具有成本低和工藝簡單的優(yōu)點，適合大規(guī)模制備。不過，由于該方法在氮化過程中鋁粉易熔化結(jié)塊，導致原料的氮化率低，產(chǎn)物的純度低，可通過向原料中加入分散劑，基于VLS生長機制在高溫下下，使雜質(zhì)形成液滴，鋁粉形成鋁蒸汽滲入液滴中，并與與游離態(tài)的氮反應(yīng)逐漸析出氮化鋁晶須，可在一定程度上提高鋁粉的轉(zhuǎn)化率，但也在反應(yīng)體系中引入了雜質(zhì)。除此之外，Al金屬粉末與N2反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的熱，導致反應(yīng)急劇加速、晶體生長過程難以控制。

2、還原氮化法

還原氮化法是通過Al2O3與還原劑發(fā)生還原反應(yīng)，還原產(chǎn)物再與氮源(氮氣或氨氣等)發(fā)生氮化反應(yīng)生成氮化鋁。根據(jù)還原劑的不同，還原氮化法又可以分為碳熱還原法、氫熱還原法等。

一般來說，碳熱還原氮化法制備AlN晶須的工藝較為成熟，合成晶須的形貌較好，是目前商業(yè)生產(chǎn)AlN晶須應(yīng)用較多的一種方法。該方法以碳（炭黑等）作為還原劑，若基于VS機制制備AlN晶須需要較高的反應(yīng)溫度（通常為1500～1800℃）來使Al2O3還原形成鋁蒸汽。為了降低反應(yīng)溫度，通常會加入一些特殊的鹽類或金屬等可以與體系內(nèi)的其他成分形成低熔點物相為催化劑，通過VLS生長機制推動反應(yīng)在較低溫度下進行。

而以氫氣為還原劑可以在相對較低的溫度下合成AlN晶須，但氫氣的價格相對較高，且氫熱還原過程易發(fā)生爆炸風險，其工藝條件尚需進一步的優(yōu)化。

3、燃燒合成法

燃燒合成法又稱自蔓延高溫合成，是利用鋁與氮氣之間的放熱反應(yīng)能來維持合成過程的技術(shù)，在這個過程中，當引入初始能量（如電火花或高溫點火）后，無需外部持續(xù)加熱，而是依靠反應(yīng)本身釋放出大量的熱使反應(yīng)自身持續(xù)進行下去，直至所有可用的反應(yīng)物消耗殆盡，具有高效率、低成本的特點。

燃燒合成法的原理和直接氮化法基本相同，均是利用金屬鋁為原料直接和氮氣反應(yīng)。與直接氮化法相比，燃燒合成法具有反應(yīng)速度快及能耗低的特點，但燃燒合成法反應(yīng)進行地更為劇烈，盡管基于VLS生長機制在制備過程中加入分散劑，也尚難以對反應(yīng)過程進行有效地控制。

小結(jié)

氮化鋁晶須由于晶格缺陷少，實際熱導率高，且作為一維納米材料，在構(gòu)筑導熱網(wǎng)絡(luò)上有著獨特的優(yōu)勢，不過AlN晶須具有極高的熔點溫度（~3500K）和較大的分解壓，難以采用熔融法制備，目前工業(yè)的制備技術(shù)主要基于VLS生長機制，VS生長機制，有直接氮化法、還原氮化法（包括碳熱還原法、氫熱還原法等）、燃燒合成法等，其中直接氮化法、碳熱還原法、燃燒合成法雖各有優(yōu)勢，但也分別存在因鋁粉易結(jié)塊而導致產(chǎn)物純度低、反應(yīng)溫度高、反應(yīng)過程難以控制等問題，往往需要加入催化劑、分散劑等基于VLS生長機制制備，而氫熱還原法雖可在較低溫度下基于VS機制生長出氮化鋁晶須，但存在一定的安全風險，仍需進一步研究。