氮化铝纳米晶须的微反应器燃烧合成机理及其结构控制

寻求一条快速低成本的合成路径来控制合成AlN纳米结构材料一直是材料科学领域的难点和热点之一。最近，申请人通过一种独特的微反应器燃烧合成法，在Al粉原料上原位合成出具有一致形貌的AlN纳米晶须，解决了传统燃烧合成法制备AlN粉体形貌一致性差的难题。本项目针对此新工艺，重点研究燃烧合成过程中微反应器的形成过程及其内部反应机理，阐明AlN纳米晶须的生长机制，在此基础上有针对性地研究各燃烧反应工艺参数对微反应器形成及产物形貌的影响规律，并通过调控工艺参数来改变晶须生长微区环境的方法实现对晶须结构的控制。.通过研究，揭示该工艺的本质特征，建立AlN纳米晶须的生长机制，阐明各燃烧反应工艺参数对微反应器形成及产物形貌的影响规律，为该方法制备结构可控、品质更优的一维AlN纳米材料提供理论和实验指导，加快实现该工艺工业化生产和实际应用进程。

本项目对AlN 纳米晶须的微反应器燃烧合成机理及其结构控制进行了深入研究。首先利用线弹性断裂力学分析结合燃烧反应过程温度–时间历程曲线研究了Al/AlN 核–壳结构的形成机理，揭示了微反应器形成的本质特征。其次，通过气体释放的燃烧波淬熄技术获得AlN 纳米晶须在微反应器燃烧合成过程中的物相变化及微观形貌转变的细节信息，揭示了微反应器内部的反应机理及晶须形成过程，掌握了微反应器内部晶须生长环境特征，并从晶体生长学角度对AlN 纳米晶须的生长机理予以解释，建立其生长模型。再次，通过化学反应热力学和动力学计算，确定了AlN 稀释剂比例、催化剂（如NH4Cl 等）添加量以及氮气压力等主要工艺参数能够选取的范围，随后在此范围内通过设计正交实验，阐明了各燃烧反应工艺参数对微反应器形成及产物形貌的影响规律，并通过调控燃烧工艺参数来改变晶须生长微区环境的方法，获得了不同直径及长度的AlN纳米晶须，实现了晶须结构的控制。在此基础上，对微反应器燃烧合成工艺进行扩展，通过特殊的实验手段对微反应器内微区环境进行调控，分别制备出了具有均一形貌的花状、空心球状及球形结构AlN亚微米级粉体，进一步扩展了燃烧合成法制备AlN粉体的潜在应用领域。另外，本项目也在燃烧合成制备Ni/Al层状复合材料及其反应机理、AlN基陶瓷材料的烧结及性能研究等方面进行了有益探索，取得了一些进展。总之，通过本青年基金研究，一定程度上揭示了AlN纳米晶须的微反应器燃烧合成机理，基本实现了AlN产物的形貌控制，为丰富纳米材料体系可控生长新技术提供了实验和理论依据。