氮化硼坩埚好用吗?
2021年07月19日 发布
分类:粉体应用技术 点击量:2347
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坩埚(Crucible)是化工行业中使用的一种杯状器皿,最早使用于炼金术实验,用途是盛液体或固体进行高温加热,是保证化学反应顺利进行的基础。坩埚的材料要求耐热、坚固,而且在高温下也不易发生化学反应,历史上最早的坩埚是用黏土制成的,发展到现代已经可以由任意能够熔化或改变其内容物的材料组成,如石英陶瓷、刚玉、氮化硼、氧化锆、石墨以及铂、镍、铬等金属。 其中氮化硼(Boron Nitride)是一种具备广阔应用前景的先进陶瓷材料,是由氮原子和硼原子所构成的晶体,化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮,具有四种不同的变体:六方氮化硼(HBN)、立方氮化硼(CBN)、菱方氮化硼(RBN)、纤锌矿氮化硼(WBN)。
六方氮化硼粉体 由于氮化硼材料具有与石英(quartz)相当的热膨胀系数,但是热导率足足是后者的10倍,因此抗热震性能相当优良,可以降低因温度迅速变化而导致破裂的风险,在20~1200℃循环数次也毫无问题。另外,氮化硼与酸、碱、玻璃及大多数金属不起反应,机械强度低,只比石墨略高,但在高温下不会有负载软化现象,可用一般金属加工机台加工,因此确实适合用作熔炼、蒸发金属的坩锅、器皿、液态金属输送管及铸钢用的模具。 氮化硼坩埚的分类 氮化硼目前市面上氮化硼坩埚分成两种: 1.PBN坩埚 通常是采用含硼气体(BCl3或B2H6)当原料,以化学气相沈积法方式制作,不过因B2H6有剧毒,目前多以BCl3为原料。这当中含硼气体经过热解(1500~1800℃)与NH3在高温反应室内反应成氮化硼固体,化学方程式如下。因为反应中有发生热解反应,因此又称为热解氮化硼坩埚(俗称PBN坩埚)。 BCl3+NH3=BN+HCl PBN材料的生长过程类似于“落雪”,即反应中生长的六角形BN小雪片不断地堆落在加热的石墨基体(芯模)上,随着时间的延长,堆积层在加厚,即形成了PBN的壳体,脱模取下即是独立的、纯的PBN部件,留于其上即是PBN涂层。 由于PBN坩埚不必经过传统的热压烧结过程,无须添加任何烧结剂,因此具有很高的纯度(99.99%以上),在真空下的使用温度高达1800度,气氛保护下使用温度最高可达2100℃,(一般用氮气或者氩气),使用在蒸镀/分子束磊晶(MBE)/GaAs长晶等用途居多。另外,因沉积速度很慢,因此PBN坩埚价格相当昂贵(多为小尺寸坩埚)。
2.烧结BN坩埚 烧结BN坩埚是采用六方晶系的氮化硼与助烧结剂(Y2O3等)当原料,成型后经高温烧结制作,同样也具有良好的耐热性、热稳定性、导热性、高温介电强度,能够抵抗大部分熔融金属的浸蚀。 不过由于烧结BN坩埚当中含有助烧结剂(1~6wt%),因此纯度不如PBN坩埚高。但是价格相对便宜许多,适合制作大尺寸坩埚,其在氩气或氮气这类惰性气体中,使用最高温度为2800℃;在氧气中的稳定度较差,只能使用在900℃以下。
氮化硼坩埚的应用 总而言之,氮化硼坩埚虽然成本上会偏高一些,但因为它有很好的热冲击特性、耐腐蚀、润滑性、高温绝缘性及高温不反应性等优点,因此在特定领域相当实用。 比如说介于P-BN优秀的化学稳定性以及上述中的高温绝缘特性、导热性高、热膨胀性低性能,它就非常适合作为在半导体制程等严格的环境条件下所使用的材料,如三五族半导体砷化镓、磷化镓、磷化铟。同时,由于氮化硼坩埚具有良好的机械加工性能、极高的高温电阻和介电强度,因此还可用于制作各种加热器之绝缘材料或玻璃治具,加热管管套与高温、高频、高压散热材料。 资料来源: 热解氮化硼增锅材料生长与性能,赵风鸣。 粉体圈NANA 相关标签:
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