碳化矽(SiC)是一種非常重要（yào）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)、高熱導率（lǜ）(120W/mK)、低熱膨脹（zhàng）係數（shù）(4.0x10-6℃-1)、寬禁帶(2.4~3.4eV)、抗氧化（huà）、耐腐蝕、抗輻照等，廣泛應用於石油工業、半導（dǎo）體、航空航（háng）天、化工、交通運輸、核能等領域（yù）。尤其在現（xiàn）在備受關注的半導體領域，碳化矽陶瓷主要應用於晶圓加（jiā）工、散（sàn）熱、封裝等方麵，可（kě）應用與製作XY平台、基座、聚焦環、拋光板、晶圓夾盤、真空吸盤（pán）、搬運臂、爐管、晶（jīng）舟、懸臂槳、研磨盤等。但是由於SiC陶瓷具有的脆性、高（gāo）硬度（dù）和高電阻率（lǜ）等特點，加工製造大尺寸或形狀複雜（zá）的SiC陶瓷部件非常困難，這也是其在工程應用（yòng）中亟待解決的關鍵問（wèn）題之一。編輯：www.91 精密加（jiā）工（gōng）製造http://www.dgszm.com/
為了提高SiC陶瓷（cí）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（gōng）的要（yào）求並進行快速精確的（de）複雜型麵加工，有利於大尺寸（cùn）或形狀複雜部件的加工製造。另外，在對電性能沒有特殊要求的工程（chéng）應用領域，用導電SiC陶瓷取（qǔ）代傳統的高電阻率SiC陶瓷具有巨（jù）大的優勢。同時，半導體行業對高性能導電SiC也有巨大的市場需求。
導（dǎo）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(CVD)和粉（fěn）末燒結。商業化應用的CVD技術已能製備出高純度(99.999%)、低電（diàn）阻率(＜0.1Ω·cm)的氮摻雜導電（diàn）SiC陶瓷。由下表可知，低電阻率（lǜ）的導電CVD-SiC陶瓷的其他性能與傳（chuán）統的高電阻率CVD-SiC相當。
不同電阻率的CVD-SiC性能參（cān）數對比
通常，引入（rù）導（dǎo）電（diàn）第二相(ZrB2、TiO2、TiC等（děng）)形成電滲流網絡（luò），製備複相導電SiC陶瓷，相比於複相（xiàng）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陶瓷原有的優異物（wù）化性能。向（xiàng）SiC中摻（chān）雜N原子來取（qǔ）代C原子位置可以把SiC的（de）電阻（zǔ）率下降（jiàng）到10-3Ω·cm，顯著低於電（diàn）火花（huā）加工所需的（de）材料最低電阻率要求(＜100Ω·cm)，因此，通常采用氮摻雜技術來製備導電（diàn）SiC陶（táo）瓷。
(a)3C-SiC晶體結構；(b)N摻雜的3C-SiC晶體結構
實現氮摻（chān）雜有以下兩種途徑：（1）在高溫燒結過程中液相（xiàng）燒結助劑溶解氮氣中的氮進入SiC晶格；
（2）含氮化合物在高（gāo）溫燒結過程中為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（zhù）劑混合均勻，然後在N2中對混合粉末進行（háng）高溫燒結。在高溫環境中（zhōng），液（yè）相的（de）燒結助劑會溶解部分氮氣中的氮。同（tóng）時，如果混合粉末中（zhōng）含有氮的化合物且可以溶於液相（xiàng）燒結助劑，該化合物也會為氮摻雜過程提供部（bù）分氮源。
氮摻雜導電SiC陶瓷的粉末燒結方式
氮摻雜導電SiC陶瓷的（de）粉末燒結製備方法主要有無壓（yā）燒（shāo）結(PS)、熱壓燒結(HP)和放電等離（lí）子燒結(SPS)。目前，大部分研究都集中在無壓（yā）燒結和熱壓燒結，放電等離子燒結作為一種新燒結技術，在實際應用中較少。當采用合適的燒結助劑在適宜（yí）的燒結（jié）工藝下，這三種方法都可以製（zhì）備出高致密度、低電阻率的導電SiC陶瓷，但是每種製備方法都有各自的優缺點。
1.無壓燒結
無（wú）壓燒結是指在（zài）不施加任何外部壓（yā）力的情況下，通過（guò）添（tiān）加合（hé）適的燒結助劑，在高溫（wēn）環境(1900~2300℃)下（xià）對粉末進行燒結，其（qí）燒結時間較長（通常為1~6h）。這是最常用、也是最簡單的燒結方式，其特點在於設備簡單、成本較低，易於工業化生產，而且可（kě）以對不同（tóng）形狀和尺寸的樣品進行致密化燒結（jié），節（jiē）省了後（hòu）續機加工的成本。但是無壓燒結導電SiC陶瓷的晶粒（lì）尺（chǐ）寸較大，因（yīn）此其力學性能通常不如熱壓燒結導電SiC陶瓷（cí）。
2.熱壓燒結（jié）
熱壓燒結是將粉末裝入石墨模具中，在加熱混合粉末的同時，對體係（xì）施加外壓，以此來（lái）製備致密化（huà）樣品。相比於（yú）無壓燒（shāo）結，機械壓（yā）力的作用可降低孔隙率（lǜ），提高（gāo）材（cái）料致（zhì）密度，並且可以有效地抑製SiC晶粒長大，提高材（cái）料的力學性能。但是受限（xiàn）於模具和壓力，因此製備的樣品形狀簡單（dān），複雜形狀仍需進行（háng）後續機加工。
3.放電（diàn）等離子燒結
放電等離子燒結是利用脈衝電流作用於（yú）導電模具（jù）內的試樣，在（zài）較短保溫時間內(1~10min)燒結（jié）樣品的一種方（fāng）法（fǎ），且（qiě）其升溫速率通常大於100℃/min。通過這種向粉末施加單軸載荷和（hé）脈衝直流電流的方式，可以使得難以燒結的SiC陶瓷在較低的（de）溫度和較短（duǎn）的時間內實現致密化，有效地抑製SiC的晶粒長大。因此，SPS可以實現材料的高致密（mì）度、精細顯微組織和幹淨晶（jīng）界，從（cóng）而全麵提升材料的（de）力學性能，但是（shì）SPS隻適用於製備形狀簡單的小尺寸樣品。
燒結助劑的類型
由於SiC本身所具有的高（gāo）共價鍵合性和低自擴散性，導致（zhì）單一組分的SiC很難致密化（huà），隻能在超高（gāo）溫(2500)和超高壓(5GPa)下進行燒結（jié）來（lái）實現致密化。通過在燒結過程中添加燒結助劑可以有效地降低燒結溫度，同時實現SiC陶瓷的致密化（huà）。因此，燒（shāo）結助劑對於SiC陶瓷的粉末（mò）燒結至關（guān）重要。
SiC的（de）燒結助劑可分為固相燒結助劑（C、B等）和液（yè）相燒結助劑（稀土氧化物、共晶金屬氧化物等）。
氮摻雜導電SiC陶瓷的製備過程屬於液相燒結過程，因此SiC陶瓷的液相燒結助劑（jì）原則上都適用於製（zhì）備氮（dàn）摻雜導電（diàn）SiC陶瓷，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（kuò）以下三種：常規燒結助劑、含氮燒結助劑（jì）和燒結助劑－含氮第二相（xiàng）。這些都屬於高溫（wēn）燒結助劑，燒結溫度（dù）通常大於1900℃。
1.常規燒結助劑
常規燒結助劑是指本身並不提供氮源，在燒結過程中形成液（yè）相燒結助劑（jì）並吸收（shōu）氮氣氣氛中的（de）氮來實現（xiàn）SiC的致（zhì）密化燒結和（hé）晶格（gé）的氮（dàn）摻雜，包（bāo）括稀土氧化（huà）物RE2O3（RE=Y,Sm,Sc,Nd,Eu,Gd,Ho,Er,Lu等）和共晶（jīng）金屬氧化物兩類。
稀（xī）土氧化物RE2O3利用高溫氮氣氣氛燒結過程中（zhōng）形成的低熔點Re-Si-OCN熔體，在致密（mì）化碳化矽陶瓷（cí）的同時（shí）實現（xiàn）氮摻雜，包括單一稀土氧化物（Y2O3,Sm2O3等）和複合稀土氧化物（Y2O3-Sm2O3,Gd2O3-Y2O3等）兩種形式。
共晶金屬氧化物則利用兩種金屬氧化物（wù）形成的低熔點共晶液相作為液相燒結助劑來實現SiC陶瓷（cí）的降溫燒結，其典型代表是Al2O3-Y2O3。
2.含氮燒結助劑
與常規的（de）燒（shāo）結助劑相比，含（hán）氮燒結助劑在燒結時會分解形（xíng）成（chéng）氧化（huà）物和氮源，氧化物可以進一步形成液相，在致（zhì）密化SiC陶瓷的（de）同時實現氮摻雜，典型代表是硝酸釔(YN)。
燒結助劑（jì）－含（hán）氮第二相體係是指在上述（shù）燒結助劑基礎上複合一定量的氮化物。常見的氮化物包括：TiN、Si3N4、ZrN等。這些氮化物通常在高溫燒結過程中為氮摻雜提供一部（bù）分氮源，從而降低材（cái）料的電阻率。
其中，TiN和ZrN可以在燒（shāo）結過程中形成導電（diàn）的Ti2CN和Zr2CN來降低SiC陶瓷的電阻（zǔ）率。值（zhí）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，因此需要合理地選擇（zé）氮（dàn）化物的（de）含量和類型，以確保在保（bǎo）留SiC陶瓷原有優異物化性能的情況下獲得合適的電阻率。
參考來源：
1.氮摻雜導電碳化矽陶瓷研究進展，楊建國、沈偉健、李華鑫、賀豔明、閭川陽、鄭文（wén）健、馬英鶴、魏連峰（材（cái）料工程）；
2.SiC基複相（xiàng）導電陶瓷的製備（bèi）與性（xìng）能研究（jiū），陳軍軍（中國科學（xué）院上海矽酸鹽研究所）；
3.碳化矽陶瓷燒結助劑的作（zuò）用機製與研究進展，付（fù）振東、趙健（jiàn）、戴（dài）葉婧等（材料導（dǎo）報）。
