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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:113
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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(BCl3B2H6当原料以化学气相沈积法方式制作不过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。



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