如何通過調控碳化矽陶瓷（cí）的導電性來助力精（jīng）密加工製造？

　　碳化矽(SiC)是一種非（fēi）常重要的工程陶瓷，它具有（yǒu）許多（duō）優異的性能（néng），如低密度(3.1g/cm3)、高硬度(2800kg/mm2)、高熱（rè）導率(120W/mK)、低熱膨脹係數(4.0x10-6℃-1)、寬禁帶(2.4~3.4eV)、抗氧化（huà）、耐腐蝕、抗輻照等，廣（guǎng）泛應用於石油（yóu）工業、半導體、航空航天、化工、交通運輸、核能等領域。尤其在現在備受關注的半導體領（lǐng）域，碳化矽陶瓷主要應用於晶圓加工、散熱、封裝等方麵，可應用（yòng）與製作（zuò）XY平台、基座（zuò）、聚焦環、拋光板、晶圓夾盤、真空吸盤、搬運臂、爐管、晶舟、懸臂槳、研磨盤（pán）等。但是由（yóu）於SiC陶瓷具（jù）有的脆性、高硬度和高電阻率等特點，加（jiā）工製造大（dà）尺寸或形狀（zhuàng）複雜的SiC陶瓷部件非常困（kùn）難，這也是其在（zài）工程（chéng）應（yīng）用中亟（jí）待解決的關鍵問題之一。編（biān）輯：藝（yì）匠 精密（mì）加工（gōng）製造http://www.xjssy.cn/ 

　　目前，陶瓷材料的精密（mì）加工通常采用金剛石（shí）砂輪磨削和電火花加工，但前者成本高，效率低（dī），電火花加（jiā）工技術在（zài）各種難加工材料領域中獲得廣泛的應用。電火（huǒ）花加工主要是通過電極間放電產生高溫熔化和汽化蝕除材料，適合於導電材料的加工，因為陶瓷材料是電絕緣體，所以必（bì）須采取特殊工（gōng）藝。
　　為了提高（gāo）SiC陶瓷的（de）可加工性（xìng），通過摻雜降低電阻率是一種有效途徑（jìng）。當調控SiC陶瓷（cí）的電阻率下降到100Ω·cm以下時，可以滿足（zú）電火花加工的要求並進行快速（sù）精確的複雜型麵加工，有利於大尺寸或形狀複雜部件的加工製造。另外，在對電（diàn）性能沒有特殊要求的（de）工程應用領（lǐng）域，用導電SiC陶瓷取代傳統的高電阻率SiC陶瓷具（jù）有巨大的優（yōu）勢。同時，半導體行業對高性能導電SiC也有巨大（dà）的市場需求。
　　導電SiC陶瓷的製備方法
　　導電（diàn）SiC陶瓷的製備方（fāng）法有（yǒu）化學氣相沉積(CVD)和粉末燒結（jié）。商業化應用的CVD技術已能製（zhì）備出高純度(99.999%)、低電阻率(＜0.1Ω·cm)的氮摻雜導電SiC陶瓷。由下表（biǎo）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率CVD-SiC相當。

　　不同電阻率的CVD-SiC性能（néng）參（cān）數對比

　　但是CVD-SiC的製造成本過高，現在也致力於（yú）開發低成本的粉末燒結技（jì）術來製備高性能的導電SiC陶瓷。

　　通常，引入導電第二相(ZrB2、TiO2、TiC等（děng）)形成電滲流網（wǎng）絡，製備複相導電SiC陶瓷，相比於複（fù）相導電SiC陶瓷，摻雜改性SiC由於摻雜量較低，可以最大限度地保留SiC陶瓷原有的（de）優異物化（huà）性能。向SiC中摻雜N原子（zǐ）來取代C原子位置可（kě）以把SiC的（de）電（diàn）阻率下降到10-3Ω·cm，顯著低於電火（huǒ）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（xià）兩種途徑：
　　（1）在高溫燒結（jié）過程中液相燒結助劑溶解氮氣中（zhōng）的氮進入（rù）SiC晶（jīng）格（gé）；
　　（2）含氮（dàn）化合物（wù）在高溫燒結過程中為（wéi）SiC提（tí）供摻雜所需（xū）的氮源。
　　總而言之，摻雜的（de）氮源要麽來（lái）自於氮氣，要麽來自於含氮化合物。通過機械（xiè）球磨把SiC粉末和燒結助（zhù）劑（jì）混合均勻（yún），然後在（zài）N2中對混合粉末進行高溫（wēn）燒結。在（zài）高溫環境中，液相的燒結助劑會（huì）溶解部（bù）分氮氣中的氮。同時，如果混合粉末中含有氮的化合物且（qiě）可以溶於液（yè）相燒結助（zhù）劑，該化（huà）合物也會（huì）為（wéi）氮摻雜過程提供（gòng）部分氮（dàn）源。
　　氮摻雜導（dǎo）電SiC陶瓷的粉末燒結方式
　　氮（dàn）摻雜導電SiC陶瓷的粉末燒結製（zhì）備方法主要有無壓（yā）燒結(PS)、熱壓燒結(HP)和（hé）放電等（děng）離子燒結(SPS)。目（mù）前（qián），大部分研究都集中在無壓燒結和熱壓燒結，放電等離子燒結作為一種新燒結技術，在實際應用中（zhōng）較少。當采用合適的燒結助劑在（zài）適宜的燒結工藝下（xià），這三種方法都可以製備出（chū）高致密度、低（dī）電阻率的導（dǎo）電SiC陶瓷，但是每種製備方法都有（yǒu）各自的優缺點（diǎn）。
　　1.無壓燒（shāo）結（jié）

　　無（wú）壓（yā）燒（shāo）結是指在不施加任何外部壓力的情況下，通（tōng）過添加合適的燒結助劑，在高溫環境(1900~2300℃)下對粉末進行燒結，其燒結時間較長（通常為（wéi）1~6h）。這是（shì）最常用、也是最簡單的燒結方式，其特點在（zài）於設備簡單、成本較（jiào）低，易於工業化生產，而且可以對不同形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。但是無壓燒結導電SiC陶瓷的晶粒尺寸較大，因此（cǐ）其力學性能通常（cháng）不如熱壓燒結導電SiC陶瓷。

　　無壓燒結爐
　　2.熱壓燒結

　　熱壓燒結是將粉末裝入石墨模（mó）具中，在加熱混合粉末的同時（shí），對體係施加外壓，以此（cǐ）來製備致密化樣品。相比於無壓燒結，機械壓力的作（zuò）用可降（jiàng）低孔隙率，提高材料致密度（dù），並且可以有效地抑製SiC晶粒長大，提高材料的力學（xué）性能。但是受（shòu）限於模具和壓力，因此製備的樣品（pǐn）形狀簡單，複雜形狀仍需進行後續機加工。

　　真空熱壓燒結爐
　　3.放電等離子燒（shāo）結

　　放電（diàn）等離子燒結是利用脈衝電（diàn）流作用於導電模具內的試樣，在較短（duǎn）保溫時（shí）間內(1~10min)燒結樣品的一種（zhǒng）方法，且其升溫速率通常大於100℃/min。通（tōng）過這種向粉末施加（jiā）單軸載荷和脈衝直流電流的方式，可以使得難以燒（shāo）結的SiC陶瓷在較低的溫度和較短的時間內（nèi）實現致密化（huà），有效地抑製SiC的晶粒長大。因此，SPS可以實現材料的高致密度、精（jīng）細顯微組織和幹淨晶界（jiè），從而全麵提升材料的力學性能，但是SPS隻適用於製備形狀簡單的小（xiǎo）尺寸（cùn）樣品。

　　放電等離子燒結
　　燒結助（zhù）劑的類型
　　由於SiC本身所具有的高共價鍵合性和低自擴散性，導致單一組分的SiC很難致密化，隻能在超高溫(2500)和超（chāo）高壓(5GPa)下進行燒結來實現致密化。通過在燒結過程中添（tiān）加燒結助劑可以有效地降低燒結溫度（dù），同時實現SiC陶瓷的致密（mì）化。因此（cǐ），燒（shāo）結助劑對（duì）於SiC陶瓷的粉（fěn）末燒結至關重要。
　　SiC的燒結助劑可分為固相燒結助劑（C、B等（děng））和（hé）液相（xiàng）燒結（jié）助（zhù）劑（稀土氧化物（wù）、共晶金屬氧化物等）。

　　氮摻雜導（dǎo）電SiC陶瓷的製備過（guò）程屬於液相燒結過程，因此SiC陶瓷的液相燒結助劑原則（zé）上都適用於製備氮摻雜導電SiC陶瓷，按照是否可以（yǐ）為SiC陶瓷（cí）進一步提供氮源的功能性進行區分，其燒結（jié）助（zhù）劑體（tǐ）係包括以下三種：常規燒結助劑、含氮燒結助劑和（hé）燒結助劑－含氮第二相。這些（xiē）都屬於高溫燒結助劑，燒結溫度通常大於1900℃。

　　液相（xiàng）燒結過程
　　1.常規燒結助劑（jì）
　　常規燒結助劑是指（zhǐ）本身並不提供氮源，在燒結過程中（zhōng）形成液（yè）相燒（shāo）結助劑並吸收氮氣氣氛（fēn）中的氮來實現SiC的致密化燒結（jié）和晶格的氮摻雜，包（bāo）括稀土氧化物（wù）RE2O3（RE=Y,Sm,Sc,Nd,Eu,Gd,Ho,Er,Lu等）和共晶金屬（shǔ）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的低熔點Re-Si-OCN熔體，在致密化碳化矽陶（táo）瓷的同時實現（xiàn）氮摻（chān）雜，包括單一（yī）稀土氧化物（Y2O3,Sm2O3等）和複合稀土氧化物（Y2O3-Sm2O3,Gd2O3-Y2O3等）兩種形式。
　　共晶金屬氧化物（wù）則（zé）利用兩種金屬氧化物形成的低熔點共晶液相作為液相燒（shāo）結助（zhù）劑來實現SiC陶瓷的降溫燒結，其典型代（dài）表是Al2O3-Y2O3。
　　2.含氮燒結助劑

　　與常規的燒結助（zhù）劑相比，含氮（dàn）燒結助劑在燒結時會分解形成氧化物和氮源，氧化物可以進一步形成（chéng）液相，在（zài）致密化SiC陶瓷的同時（shí）實現氮摻雜，典型代表是（shì）硝酸釔(YN)。

　　3.燒（shāo）結助劑－含氮第二相
　　燒（shāo）結助劑（jì）－含氮第（dì）二相體係是指在上述（shù）燒結助劑基（jī）礎上複合一定量的氮化物。常見的氮化物包括：TiN、Si3N4、ZrN等（děng）。這些氮化物（wù）通常在高溫燒結（jié）過程中為氮摻雜提供一（yī）部分氮源，從而降低材料的電阻率。
　　其中，TiN和ZrN可以在燒（shāo）結過程中形成導電的Ti2CN和Zr2CN來降低SiC陶瓷的電阻率。值得注意的是，氮化物的添加在另一方麵也會改變SiC陶瓷的物化性能（néng），因此需要合理地選擇氮化物的含量和類型，以確保在（zài）保留SiC陶瓷原有優異物化（huà）性能的情況（kuàng）下獲得合適（shì）的電阻率。
　　參考來源：
　　1.氮摻雜導電碳化矽陶瓷研究進展（zhǎn），楊建國、沈偉健、李華鑫（xīn）、賀豔明、閭川陽、鄭文（wén）健、馬英鶴、魏連峰（材料工程）；
　　2.SiC基複相導電陶瓷的製備與性能研究，陳軍軍（中國科學院上海矽酸鹽研究所）；
　　3.碳化矽陶瓷燒結助劑的作用機製與研究進展，付振（zhèn）東、趙健、戴葉婧（jìng）等（材料導報）。