TRIZ方法在氮化鋁粉體制備中的應(yīng)用與研究

張紅冉 曹獻(xiàn)瑩 田卓

摘 ?要：針對(duì)氮化鋁粉體制備工藝中出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題，運(yùn)用TRIZ方法及工具對(duì)整個(gè)制備工藝流程進(jìn)行了分析，找到了問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)。再運(yùn)用沖突理論、分離原理以及標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終給出解決方案。運(yùn)用TRIZ方法有效提高了氮化鋁粉體顆粒的致密度，使氮化鋁粉體在高導(dǎo)熱填料應(yīng)用方向的性能大大提升。

關(guān)鍵詞：氮化鋁;TRIZ方法;致密度

中圖分類號(hào)：TB321 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）19-0047-04

Abstract： Aiming at the technical problems in aluminum nitride powder preparation process， TRIZ method and tools were used to analyze the whole process flow， and the key points of the problems were found. Then use the conflict theory， separation principles and standard solutions to optimize the design， and finally give a solution. Using the TRIZ method effectively improves the density of the aluminum nitride powder particles， so that the performance of the aluminum nitride powder in the application of the high thermal conductivity filler is greatly improved.

Keywords： aluminum nitride; TRIZ method; density

1 概述

氮化鋁（AlN）是一種無(wú)機(jī)非金屬粉體，具有室溫強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、絕緣性能優(yōu)良、耐高溫、耐腐蝕、介電損耗小、無(wú)毒等優(yōu)異的性能。AlN理論熱導(dǎo)率可達(dá)320W/m·K，是Al2O3的近10倍，目前工業(yè)已穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)170W/m·K以上，因此AlN是大功率散熱基板和導(dǎo)熱膠填充物的首選材料。制備氮化鋁粉體的常見(jiàn)方法有鋁粉直接氮化法、碳熱還原法、自蔓延反應(yīng)法等，三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中直接氮化法是在高溫的氮?dú)鈿夥罩校X粉直接與氮?dú)饣仙傻X粉體的方法。該方法原料豐富，工藝簡(jiǎn)單，沒(méi)有副反應(yīng)，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[1-2]。

在有機(jī)高分子材料中加入氮化鋁粉體，可明顯提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，原理如圖1所示。一般作為導(dǎo)熱填料的AlN粉體希望具有大粒徑、類球形或致密顆粒狀形貌的特征。而利用鋁粉直接氮化法很容易出現(xiàn)不致密的大顆粒和過(guò)多的碎小顆粒。目前大粒徑、致密形貌的氮化鋁粉體的制備工藝尚不成熟，日本德山株式會(huì)社用陶瓷燒結(jié)工藝制備大粒徑氮化鋁粉體，但作為填料來(lái)說(shuō)成本太高，因此制備大粒徑致密氮化鋁粉體是許多研究者的研究方向。本文應(yīng)用TRIZ方法對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

TRIZ理論簡(jiǎn)介：

TRIZ，也稱發(fā)明問(wèn)題解決理論，創(chuàng)始人是蘇聯(lián)Altshuller。該理論是將各行各業(yè)幾百萬(wàn)份發(fā)明專利仔細(xì)研究、尋找規(guī)律、總結(jié)分析而得出的一種創(chuàng)新方法體系[3-4]。許多技術(shù)問(wèn)題可以利用其他領(lǐng)域或相似問(wèn)題的原理和方法得到解決，也就是發(fā)明創(chuàng)造是有規(guī)律可尋和有法可依的[5]。此理論已在國(guó)內(nèi)許多企業(yè)推廣使用，對(duì)于技術(shù)問(wèn)題的解決和創(chuàng)新頗有成效。TRIZ可以有目標(biāo)的解決在科技創(chuàng)新中的難題，過(guò)去采用“試錯(cuò)法”進(jìn)行研發(fā)創(chuàng)新效率低、耗時(shí)費(fèi)力，TRIZ方法消除了盲目性、漫無(wú)邊際的試錯(cuò)，減少了資源浪費(fèi)，節(jié)省了寶貴的時(shí)間，為科技研發(fā)創(chuàng)新?lián)袢×烁鼮橄到y(tǒng)化、合理化、科學(xué)化的道路。

TRIZ理論的主要工具包括矛盾矩陣及對(duì)應(yīng)的40條發(fā)明原理、物質(zhì)場(chǎng)模型分析及對(duì)應(yīng)的76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解[6-7]。在具體運(yùn)用的過(guò)程中，首先將實(shí)際問(wèn)題加以系統(tǒng)性的分析，轉(zhuǎn)化成TRIZ問(wèn)題并找到對(duì)應(yīng)的解，最后將通用解結(jié)合實(shí)際問(wèn)題給出切實(shí)可行的技術(shù)方案。TRIZ解決技術(shù)問(wèn)題的流程圖如圖2所示。

其實(shí)工作中遇到技術(shù)問(wèn)題，我們確實(shí)在用“試錯(cuò)法”，并企圖從最終目標(biāo)直接思考解決問(wèn)題的途徑，將思維局限在本領(lǐng)域內(nèi)，往往問(wèn)題的解決效率低。TRIZ可以幫助我們打破常規(guī)的思維定式，從系統(tǒng)的角度看待問(wèn)題，確實(shí)是一種解決問(wèn)題的有效方法。

2 基于TRIZ方法對(duì)提高氮化鋁粉體制備系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析

2.1 功能分析與因果分析

直接氮化法制備氮化鋁粉體，是將鋁粉與高純氮?dú)饨佑|，在一定溫度下反應(yīng)生成氮化鋁的過(guò)程。工藝中，為了保證產(chǎn)品顆粒的致密度，往往會(huì)采用原料壓實(shí)的方法。本實(shí)驗(yàn)采用的是“粉→塊→碎塊→再通入氮?dú)夥磻?yīng)”的工藝，將此工藝流程進(jìn)行功能分析，如圖3所示。通過(guò)功能模型分析，描述了系統(tǒng)元件及其之間的相互關(guān)系，找出了氮化鋁相關(guān)問(wèn)題的功能因素，見(jiàn)圖3中虛線箭頭所示。

再利用因果鏈分析法確定產(chǎn)生問(wèn)題的原因，從原料選擇、原料的處理以及工藝控制三個(gè)方面進(jìn)行因果分析。沿著三個(gè)方向分別進(jìn)行因果關(guān)系的倒推，找到了導(dǎo)致氮化鋁粉體不致密最根本的問(wèn)題所在。

2.2 理想解分析及可用資源分析

最終理想解：在低成本下穩(wěn)定制備出粒徑>3μm、粒徑分布可控、微觀形貌中球狀致密顆粒占比為100%的灰白色氮化鋁粉體。

次理想解：在“低成本、粒徑>3μm、100%氮化”的條件下，微觀形貌中致密顆粒占比達(dá)80%以上。

可用資源分析：在現(xiàn)有設(shè)備條件下，將所有資源分為系統(tǒng)內(nèi)部資源與系統(tǒng)外部資源進(jìn)行分析，能創(chuàng)造性的利用系統(tǒng)中的可用資源來(lái)有效提供理想化水平，涉及到的資源統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。