相比普通球磨，等离子球磨中等离子体产生的热效应和高能粒子轰击效应与振动球磨产生的机械效应协同作用，能有效提高粉体比表面积以及缺陷浓度，使得Al2O3粉体在后续的碳热还原反应过程中转化为AlN所需的激活能降低18.71%，从而在较低的氮化温度下有更快的化学反应速率和更高AlN转化率。所得AlN粉末结晶度与晶格形貌良好，且分布均匀。

1、制备方法

图1：DBDP等离子球磨结构原理示意图

在氮气气氛下，前驱体Al2O3分别进行普通球磨和等离子球磨，将球磨后的Al2O3进行碳热还原反应，得到AlN粉末进行表征对比。

2、前驱体预处理

图2：DBDP等离子球磨和普通球磨Al2O3粉末的XRD图谱

图2是等离子球磨和普通球磨Al2O3粉末的XRD图谱，由图可以看出球磨时间越长，衍射峰的强度和半峰宽变得越低越宽，且等离子球磨过的粉体衍射峰强度和半峰宽比普通球磨的更低更宽，这说明等离子球磨细化Al2O3粉末的能力更强。

图3：DBDP等离子球磨和普通球磨Al2O3粉末的晶粒尺寸(a)和晶格缺陷(b)随球磨时间的变化曲线

图3为Al2O3粉体的晶粒尺寸和晶格缺陷随球磨时间的变化曲线，从图中可以看出，在相同的处理时间下，等离子球磨Al2O3粉末晶粒尺寸比普通球磨的更小，而晶格缺陷比普通球磨的更多。

图4：不同球磨方式下Al2O3的SEM和TEM图：(a)Al2O3原粉，(b)普通球磨10h，(c)等离子球磨10h，(d)普通球磨40h，(e)等离子球磨40h，(f)等离子球磨40 h TEM图

图4为不同方式处理不同时间Al2O3的SEM和TEM图，由图看出未球磨的Al2O3粉末呈现不规则的珊瑚形状，平均颗粒尺寸约为1μm，普通球磨10h和等离子球磨10h的粉体为球形颗粒。对比图中颗粒尺寸可以发现，等离子球磨可导致Al2O3粉末的颗粒尺寸进一步细化，球磨40h后粉体粒径明显增加并形成大块状形态聚集体。

这主要是由于在研磨过程中出现了一些Al2O3的层状结构，这些层状结构通过堆积和粘结形成松散的大聚集体。同时，可以看出大量的纳米Al2O3颗粒附着在块状聚集体的表面上。此外，使用等离子球磨得到的聚集体的形态轮廓清晰，表面光滑且融合的迹象。

3、碳热还原反应合成AlN

图5：1400℃下进行碳热还原反应后粉体XRD谱图

图5为等离子球磨和普通球磨40ｈ的Al2O3粉末在1400℃下氮化合成AlN粉末的XRD图谱，从图可看到有AlN的衍射峰出现，说明Al2O3转变成AlN。相对于普通球磨后碳热反应还存在部分Al2O3未完全转变，但是等离子球磨下全部完成转变，仅有AlN的衍射峰存在。

图6：不同球磨方式下，（a）温度对AlN转化率的影响 (b)研磨时间对AlN转化率的影响

图6为不同条件下AlN的转化率，从图可以看到，在1200℃后，AlN逐渐开始生成，当温度升到1400℃时，等离子球磨40h后完全转化为AlN，而普通球磨AlN转化率仅为65％，当温度升高到1600℃，普通球磨AlN转化率才达到100%。相同温度下，等离子球磨下的AlN转化率显著高于普通球磨。这也表明“等离子体+机械力”协同场作用下，可以有效降低氮化反应温度，显著提高AlN合成率。

图7 等离子球磨40h，1400℃合成AlN粉末的SEM和TEM照片

图7为等离子球磨40h，1400℃合成AlN粉末的SEM和TEM照片，由图可知，合成的AlN粉末具有良好的晶格形貌并呈现出不规则的块状结构，同时AlN粉末分布相对均匀，平均颗粒尺寸大约在500-1000 nm之间。由电子衍射图知，合成的AlN是六方结构。

4、结论

（1）相比普通球磨，等离子球磨Al2O3粉，晶粒尺寸和颗粒尺寸更小，同时晶格畸变和比表面积更大；导致等离子球磨在较低的氮化温度下有更快的化学反应速率和更高AlN转化率；

（2）相同温度下，等离子球磨合成AlN的产率要大大优于普通球磨。

（3）合成的AlN粉末是具有精细晶体形态的六方AlN，呈现不规则的块状结构，并且AlN粉末具有均匀的分布，平均粒径在500nm至1000nm之间。

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