坩堝（Crucible）是化工行業(yè)中使用的一種杯狀器皿，最早使用于煉金術(shù)實(shí)驗(yàn)，用途是盛液體或固體進(jìn)行高溫加熱，是保證化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。坩堝的材料要求耐熱、堅(jiān)固，而且在高溫下也不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，歷史上最早的坩堝是用黏土制成的，發(fā)展到現(xiàn)代已經(jīng)可以由任意能夠熔化或改變其內(nèi)容物的材料組成，如石英陶瓷、剛玉、氮化硼、氧化鋯、石墨以及鉑、鎳、鉻等金屬。

其中氮化硼(Boron Nitride)是一種具備廣闊應(yīng)用前景的先進(jìn)陶瓷材料，是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體，化學(xué)組成為43.6%的硼和56.4%的氮，具有四種不同的變體：六方氮化硼（HBN)、立方氮化硼(CBN)、菱方氮化硼（RBN）、纖鋅礦氮化硼(WBN)。

六方氮化硼粉體

由于氮化硼材料具有與石英(quartz)相當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)，但是熱導(dǎo)率足足是后者的10倍，因此抗熱震性能相當(dāng)優(yōu)良，可以降低因溫度迅速變化而導(dǎo)致破裂的風(fēng)險(xiǎn)，在20~1200℃循環(huán)數(shù)次也毫無問題。另外，氮化硼與酸、堿、玻璃及大多數(shù)金屬不起反應(yīng)，機(jī)械強(qiáng)度低，只比石墨略高，但在高溫下不會(huì)有負(fù)載軟化現(xiàn)象，可用一般金屬加工機(jī)臺(tái)加工，因此確實(shí)適合用作熔煉、蒸發(fā)金屬的坩鍋、器皿、液態(tài)金屬輸送管及鑄鋼用的模具。

氮化硼坩堝的分類

  氮化硼目前市面上氮化硼坩堝分成兩種：

1.PBN坩堝

通常是采用含硼氣體（BCl₃或B₂H₆）當(dāng)原料，以化學(xué)氣相沈積法方式制作，不過因B₂H₆有劇毒，目前多以BCl₃為原料。這當(dāng)中含硼氣體經(jīng)過熱解（1500~1800℃）與NH₃在高溫反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)成氮化硼固體，化學(xué)方程式如下。因?yàn)榉磻?yīng)中有發(fā)生熱解反應(yīng)，因此又稱為熱解氮化硼坩堝（俗稱PBN坩堝）。

BCl₃+NH₃=BN+HCl

PBN材料的生長(zhǎng)過程類似于“落雪”，即反應(yīng)中生長(zhǎng)的六角形BN小雪片不斷地堆落在加熱的石墨基體（芯模）上，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，堆積層在加厚，即形成了PBN的殼體，脫模取下即是獨(dú)立的、純的PBN部件，留于其上即是PBN涂層。

由于PBN坩堝不必經(jīng)過傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)過程，無須添加任何燒結(jié)劑，因此具有很高的純度（99.99%以上），在真空下的使用溫度高達(dá)1800度，氣氛保護(hù)下使用溫度最高可達(dá)2100℃，（一般用氮?dú)饣蛘邭鍤猓?/span>，使用在蒸鍍/分子束磊晶（MBE)/GaAs長(zhǎng)晶等用途居多。另外，因沉積速度很慢，因此PBN坩堝價(jià)格相當(dāng)昂貴（多為小尺寸坩堝）。

2.燒結(jié)BN坩堝

燒結(jié)BN坩堝是采用六方晶系的氮化硼與助燒結(jié)劑（Y₂O₃等）當(dāng)原料，成型后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制作，同樣也具有良好的耐熱性、熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、高溫介電強(qiáng)度，能夠抵抗大部分熔融金屬的浸蝕。

不過由于燒結(jié)BN坩堝當(dāng)中含有助燒結(jié)劑（1~6wt%），因此純度不如PBN坩堝高。但是價(jià)格相對(duì)便宜許多，適合制作大尺寸坩堝，其在氬氣或氮?dú)膺@類惰性氣體中，使用最高溫度為2800℃；在氧氣中的穩(wěn)定度較差，只能使用在900℃以下。

氮化硼坩堝的應(yīng)用

總而言之，氮化硼坩堝雖然成本上會(huì)偏高一些，但因?yàn)樗?/span>有很好的熱沖擊特性、耐腐蝕、潤(rùn)滑性、高溫絕緣性及高溫不反應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，因此在特定領(lǐng)域相當(dāng)實(shí)用。

比如說介于P-BN優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性以及上述中的高溫絕緣特性、導(dǎo)熱性高、熱膨脹性低性能，它就非常適合作為在半導(dǎo)體制程等嚴(yán)格的環(huán)境條件下所使用的材料，如三五族半導(dǎo)體砷化鎵、磷化鎵、磷化銦。同時(shí)，由于氮化硼坩堝具有良好的機(jī)械加工性能、極高的高溫電阻和介電強(qiáng)度，因此還可用于制作各種加熱器之絕緣材料或玻璃治具，加熱管管套與高溫、高頻、高壓散熱材料。

資料來源：

熱解氮化硼增鍋材料生長(zhǎng)與性能，趙風(fēng)鳴。

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