如何通過（guò）調控碳化矽陶瓷的（de）導電性來助力精密加工製造（zào）？

　　碳化矽(SiC)是一種非常重要的工程陶瓷，它具有許多優異的性能，如低密度(3.1g/cm3)、高硬度(2800kg/mm2)、高熱（rè）導率(120W/mK)、低熱膨脹（zhàng）係數(4.0x10-6℃-1)、寬禁帶(2.4~3.4eV)、抗氧化、耐腐蝕、抗輻照等，廣泛應用於石油工業、半導體、航（háng）空航天、化工（gōng）、交通運輸、核能等領域。尤其在現在備受關注的半導體領域，碳化矽陶瓷主要應（yīng）用（yòng）於晶圓加（jiā）工、散熱、封裝等方麵（miàn），可應用與製作XY平台、基座（zuò）、聚焦環、拋（pāo）光（guāng）板、晶圓夾盤、真空吸盤、搬運臂、爐（lú）管、晶舟、懸臂槳、研磨盤等。但是由（yóu）於SiC陶（táo）瓷具有的脆性、高硬度和高電阻率等特點（diǎn），加工製造大尺寸或形狀（zhuàng）複雜的SiC陶瓷部件（jiàn）非常困難，這（zhè）也是其在工程（chéng）應用中亟待解決的關鍵問題之一。編輯：糖心影视 精密加工（gōng）製造http://www.dlzxxx.cn/ 

　　目前（qián），陶瓷材料的精密加工通常（cháng）采用金剛石砂輪磨削和（hé）電火花加工，但前者成（chéng）本高，效率低，電火花加工技（jì）術在各種難加工材料（liào）領域中獲得廣泛（fàn）的應用。電（diàn）火花加工主要是通（tōng）過電極間放電（diàn）產生高溫熔化和汽化蝕除材料（liào），適（shì）合於導電（diàn）材料的加工，因為陶瓷材料是電絕緣體，所以必須采取特殊工藝。
　　為了（le）提高（gāo）SiC陶瓷的可加工性，通過摻雜降低電阻率是一種有效途徑。當調控SiC陶瓷的電阻率下降到100Ω·cm以下時，可以滿足電火花加工的要求並進行快速精（jīng）確的複雜型麵加工，有利於大尺寸或形狀（zhuàng）複雜部件（jiàn）的加工製造。另外，在對電性能沒有特殊要求的工（gōng）程應用領域（yù），用導電SiC陶瓷（cí）取代傳統的高電阻（zǔ）率SiC陶瓷具有巨大的（de）優勢。同時，半導體（tǐ）行業對高性能導電SiC也有巨大的市場需求。
　　導電SiC陶瓷的製備方法
　　導電SiC陶瓷的製備方法有化學氣相沉積（jī）(CVD)和粉末燒結（jié）。商業化應用的CVD技術已能製（zhì）備出高（gāo）純度(99.999%)、低電阻（zǔ）率（lǜ）(＜0.1Ω·cm)的氮摻雜導電SiC陶（táo）瓷。由下表可知，低電阻率的導電CVD-SiC陶瓷的其他性能與傳統的高電阻（zǔ）率CVD-SiC相當。

　　不同電阻率的CVD-SiC性能參數對比

　　但是（shì）CVD-SiC的製造成本過高，現在也致力於開發低成本（běn）的粉末燒結技術（shù）來製備（bèi）高性能的導電SiC陶瓷。

　　通常，引入（rù）導（dǎo）電第二相(ZrB2、TiO2、TiC等（děng）)形成電滲流網絡，製備（bèi）複（fù）相導電SiC陶瓷，相比於複相導電（diàn）SiC陶瓷，摻雜改（gǎi）性SiC由於摻雜量較（jiào）低，可以最大限度地保留SiC陶瓷（cí）原（yuán）有的優異物化（huà）性能。向SiC中摻雜N原子（zǐ）來取（qǔ）代C原子位置可以把SiC的電阻率下降到（dào）10-3Ω·cm，顯著低於電火花加工所需的材料最低電阻率要求(＜100Ω·cm)，因此，通常采用氮（dàn）摻雜技術來製備導電SiC陶瓷。

　　氮摻雜原理示意圖

　　(a)3C-SiC晶體結構；(b)N摻雜的3C-SiC晶體結構

　　實現氮摻雜有以下兩（liǎng）種途徑：
　　（1）在高溫燒結過程中液（yè）相燒結助劑溶解氮氣中（zhōng）的（de）氮進入SiC晶（jīng）格；
　　（2）含氮化合（hé）物在高溫燒（shāo）結過程中為SiC提供摻雜所需的氮源。
　　總而言之，摻雜的氮源要麽來自於氮氣，要麽來自於含氮化合（hé）物。通過機械球磨把SiC粉末和燒結助劑（jì）混合（hé）均勻，然後在N2中對混合粉末進行高溫燒結。在高溫環境中，液相的燒結助劑會溶解（jiě）部分氮氣中的氮。同時，如果混合粉末中含有氮的化合物且可以溶於液相燒結助劑，該化合（hé）物也會為氮摻雜（zá）過程提供部分氮源。
　　氮摻雜（zá）導電SiC陶瓷（cí）的粉末燒結方式（shì）
　　氮摻雜導電SiC陶瓷的粉末燒結製備方法主要有（yǒu）無壓燒（shāo）結(PS)、熱（rè）壓燒結(HP)和放電（diàn）等離子燒（shāo）結(SPS)。目前，大部分研究都集中在無壓燒結和熱壓燒結，放電等（děng）離子燒結作為一種（zhǒng）新燒結技術，在實際應（yīng）用中較少。當（dāng）采用合適的燒結（jié）助劑在適（shì）宜的燒結工藝（yì）下，這三種方法（fǎ）都可以製備出高致密度（dù）、低電阻率的導電SiC陶瓷，但是（shì）每種製備方（fāng）法都有（yǒu）各自的優（yōu）缺點。
　　1.無壓燒結

　　無壓燒結是（shì）指在不施加（jiā）任何外部壓力的情況下，通過添加合適的燒結助劑，在高（gāo）溫（wēn）環境(1900~2300℃)下對粉末進行燒結，其燒結時間較（jiào）長（通常為（wéi）1~6h）。這是最常用、也是最簡單的燒結方式，其（qí）特點在於設備簡單、成本較低，易於（yú）工業化生產，而且可以（yǐ）對不同形（xíng）狀和尺寸的樣品進行致密化燒結，節省了後續機加工的成本。但是無壓燒結（jié）導（dǎo）電SiC陶瓷的晶粒（lì）尺（chǐ）寸較大，因此其（qí）力學性能通常不如熱壓（yā）燒結導電SiC陶瓷。

　　無壓燒結爐
　　2.熱壓燒結

　　熱（rè）壓燒結是將粉末裝入石墨模具中，在加熱混合粉末的同（tóng）時，對（duì）體係施加外壓，以此來製備致密化樣品。相比於無壓燒（shāo）結（jié），機械壓力的作用可降低孔隙（xì）率，提（tí）高材料致密度，並且可以有（yǒu）效（xiào）地抑製SiC晶粒長大，提高材料的力學性能。但是受限（xiàn）於模（mó）具和（hé）壓力，因此製備的樣品形狀簡單，複雜（zá）形狀仍需進行後續機加工。

　　真（zhēn）空熱（rè）壓（yā）燒結爐
　　3.放電等離子燒結

　　放電等離子燒結是利用脈衝電流作用於導電（diàn）模具內的試樣，在較短保溫時間內(1~10min)燒結樣品的一種方法，且其升溫速率通常大（dà）於100℃/min。通過這種（zhǒng）向（xiàng）粉末施加單軸載荷和脈衝直流（liú）電（diàn）流（liú）的（de）方式，可以使得難以燒結的（de）SiC陶瓷在較低的溫度（dù）和（hé）較短的時間內實現致密化，有效地抑製SiC的晶粒長大。因此，SPS可以實現材料的（de）高致密度、精細顯微組織和幹淨晶（jīng）界，從而全麵提升材（cái）料的力學性能，但是SPS隻適（shì）用於製備形（xíng）狀簡（jiǎn）單的（de）小尺寸樣品。

　　放電等離子燒結
　　燒結助劑的類型
　　由於SiC本身（shēn）所具有的高共（gòng）價鍵合性（xìng）和（hé）低自（zì）擴散性，導致單一組分的SiC很難致密化，隻能在超高溫(2500)和超高壓(5GPa)下（xià）進行燒結來實現致密化。通過在（zài）燒結過程中（zhōng）添（tiān）加燒結助劑可以有效地降低燒結溫度，同時實現（xiàn）SiC陶瓷的（de）致密化。因（yīn）此，燒結助劑對（duì）於SiC陶瓷的粉末燒結（jié）至關重要。
　　SiC的（de）燒（shāo）結（jié）助劑可分為固相燒（shāo）結助劑（C、B等）和液相燒結助劑（稀土氧化物、共晶金屬氧（yǎng）化物等）。

　　氮（dàn）摻雜導電SiC陶瓷的製備過程屬於液相燒結過（guò）程，因此SiC陶瓷的液相燒（shāo）結助劑原則上都適用（yòng）於製備氮摻雜（zá）導電SiC陶（táo）瓷，按照是否可以為SiC陶瓷進一步提供氮源的功能性進行區分，其燒結助劑體係包括以下三種：常規燒結助（zhù）劑、含氮燒結助劑和燒結助（zhù）劑－含氮第二相（xiàng）。這（zhè）些都（dōu）屬於高溫燒結助劑，燒結溫度通常大於1900℃。

　　液相燒結過程
　　1.常規（guī）燒結助劑
　　常規（guī）燒結助劑是指本身（shēn）並不提供（gòng）氮（dàn）源，在燒（shāo）結過程中形成液相燒結助劑（jì）並吸收氮氣氣氛中的氮來實現SiC的致密化燒結和晶格的氮摻雜，包括稀土氧化物RE2O3（RE=Y,Sm,Sc,Nd,Eu,Gd,Ho,Er,Lu等）和共晶金屬氧化物兩類。
　　稀土氧化物RE2O3利用高溫氮氣氣氛燒結過程中形成（chéng）的低熔點Re-Si-OCN熔體，在致密化碳（tàn）化矽陶瓷的同時實現氮摻雜（zá），包括單一稀土氧化物（wù）（Y2O3,Sm2O3等）和複合稀土氧化物（Y2O3-Sm2O3,Gd2O3-Y2O3等（děng））兩種形式（shì）。
　　共晶金屬（shǔ）氧化物（wù）則利用（yòng）兩種金屬氧化物形成的低（dī）熔點共晶液相作為液相燒結助劑來實現SiC陶瓷的降溫（wēn）燒（shāo）結，其典（diǎn）型代表是Al2O3-Y2O3。
　　2.含氮燒結助劑

　　與常規的燒結助劑相比，含氮燒（shāo）結助劑在燒結時會分解形成氧化物和（hé）氮源，氧化物可以進一步形成液相，在致密化SiC陶瓷的同（tóng）時實現氮摻雜，典型代表是硝酸釔(YN)。

　　3.燒結助劑－含氮第二相
　　燒結助劑－含氮第二相體係是指在（zài）上述燒（shāo）結助劑基礎上複（fù）合一定量的氮化物。常見的氮化物包（bāo）括：TiN、Si3N4、ZrN等（děng）。這些氮化物通常在高溫燒結過程中為氮摻雜提供一部分氮源，從而降（jiàng）低材料的電阻率（lǜ）。
　　其中，TiN和（hé）ZrN可以在燒結過程（chéng）中形成導電的Ti2CN和Zr2CN來降（jiàng）低SiC陶瓷的電阻率。值得注意（yì）的是，氮化物的添加在另一方麵也會改變（biàn）SiC陶瓷的物化性能，因此需要（yào）合理地選擇氮化物的含量和類型，以確保在保留SiC陶瓷原有優異物化性（xìng）能的（de）情況下（xià）獲（huò）得合（hé）適（shì）的電阻率。
　　參考來源：
　　1.氮摻（chān）雜導電（diàn）碳化（huà）矽陶（táo）瓷研究（jiū）進展，楊建國、沈偉健、李華鑫、賀豔明、閭川陽、鄭文健、馬（mǎ）英鶴、魏連（lián）峰（材料工（gōng）程）；
　　2.SiC基複相（xiàng）導電陶瓷的製備與性（xìng）能研究，陳軍（jun1）軍（中國科（kē）學院（yuàn）上（shàng）海矽酸（suān）鹽研究所）；
　　3.碳化矽陶瓷（cí）燒結（jié）助劑的作用機製與研究進展，付振東、趙健、戴葉婧等（材料導報）。