碳化硅(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)、高熱導率(120W/mK)、低熱膨脹系數(4.0x10-6℃-1)、寬禁帶(2.4~3.4eV)、抗氧化、耐腐蝕、抗輻照等，廣泛應用于石油工業、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域，碳化硅陶瓷主要應用于晶圓加工、散熱、封裝等方面，可應用與制作XY平臺、基座、聚焦環、拋光板、晶圓夾盤、真空吸盤、搬運臂、爐管、晶舟、懸臂槳、研磨盤等。但是由于SiC陶瓷具有的脆性、高硬度和高電阻率等特點，加工制造大尺寸或形狀復雜的SiC陶瓷部件非常困難，這也是其在工程應用中亟待解決的關鍵問題之一。編輯：藝匠 精密加工制造http://www.yuxingjiajuwujin.com.cn/
為了提高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并進行快速精確的復雜型面加工，有利于大尺寸或形狀復雜部件的加工制造。另外，在對電性能沒有特殊要求的工程應用領域，用導電SiC陶瓷取代傳統的高電阻率SiC陶瓷具有巨大的優勢。同時，半導體行業對高性能導電SiC也有巨大的市場需求。
導電SiC陶瓷的制備方法
導電SiC陶瓷的制備方法有化學氣相沉積(CVD)和粉末燒結。商業化應用的CVD技術已能制備出高純度(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性能參數對比
通常，引入導電第二相(ZrB2、TiO2、TiC等)形成電滲流網絡，制備復相導電SiC陶瓷，相比于復相導電SiC陶瓷，摻雜改性SiC由于摻雜量較低，可以最大限度地保留SiC陶瓷原有的優異物化性能。向SiC中摻雜N原子來取代C原子位置可以把SiC的電阻率下降到10-3Ω·cm，顯著低于電火花加工所需的材料最低電阻率要求(＜100Ω·cm)，因此，通常采用氮摻雜技術來制備導電SiC陶瓷。
(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種途徑：（1）在高溫燒結過程中液相燒結助劑溶解氮氣中的氮進入SiC晶格；
（2）含氮化合物在高溫燒結過程中為SiC提供摻雜所需的氮源。
總而言之，摻雜的氮源要么來自于氮氣，要么來自于含氮化合物。通過機械球磨把SiC粉末和燒結助劑混合均勻，然后在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于液相燒結助劑，該化合物也會為氮摻雜過程提供部分氮源。
氮摻雜導電SiC陶瓷的粉末燒結方式
氮摻雜導電SiC陶瓷的粉末燒結制備方法主要有無壓燒結(PS)、熱壓燒結(HP)和放電等離子燒結(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的燒結工藝下，這三種方法都可以制備出高致密度、低電阻率的導電SiC陶瓷，但是每種制備方法都有各自的優缺點。
1.無壓燒結
無壓燒結是指在不施加任何外部壓力的情況下，通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1~6h）。這是最常用、也是最簡單的燒結方式，其特點在于設備簡單、成本較低，易于工業化生產，而且可以對不同形狀和尺寸的樣品進行致密化燒結，節省了后續機加工的成本。但是無壓燒結導電SiC陶瓷的晶粒尺寸較大，因此其力學性能通常不如熱壓燒結導電SiC陶瓷。
2.熱壓燒結
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，對體系施加外壓，以此來制備致密化樣品。相比于無壓燒結，機械壓力的作用可降低孔隙率，提高材料致密度，并且可以有效地抑制SiC晶粒長大，提高材料的力學性能。但是受限于模具和壓力，因此制備的樣品形狀簡單，復雜形狀仍需進行后續機加工。
3.放電等離子燒結
放電等離子燒結是利用脈沖電流作用于導電模具內的試樣，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于100℃/min。通過這種向粉末施加單軸載荷和脈沖直流電流的方式，可以使得難以燒結的SiC陶瓷在較低的溫度和較短的時間內實現致密化，有效地抑制SiC的晶粒長大。因此，SPS可以實現材料的高致密度、精細顯微組織和干凈晶界，從而全面提升材料的力學性能，但是SPS只適用于制備形狀簡單的小尺寸樣品。
燒結助劑的類型
由于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，只能在超高溫(2500)和超高壓(5GPa)下進行燒結來實現致密化。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。因此，燒結助劑對于SiC陶瓷的粉末燒結至關重要。
SiC的燒結助劑可分為固相燒結助劑（C、B等）和液相燒結助劑（稀土氧化物、共晶金屬氧化物等）。
氮摻雜導電SiC陶瓷的制備過程屬于液相燒結過程，因此SiC陶瓷的液相燒結助劑原則上都適用于制備氮摻雜導電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，其燒結助劑體系包括以下三種：常規燒結助劑、含氮燒結助劑和燒結助劑－含氮第二相。這些都屬于高溫燒結助劑，燒結溫度通常大于1900℃。
1.常規燒結助劑
常規燒結助劑是指本身并不提供氮源，在燒結過程中形成液相燒結助劑并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的低熔點Re-Si-OCN熔體，在致密化碳化硅陶瓷的同時實現氮摻雜，包括單一稀土氧化物（Y2O3,Sm2O3等）和復合稀土氧化物（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形成的低熔點共晶液相作為液相燒結助劑來實現SiC陶瓷的降溫燒結，其典型代表是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液相，在致密化SiC陶瓷的同時實現氮摻雜，典型代表是硝酸釔(YN)。
燒結助劑－含氮第二相體系是指在上述燒結助劑基礎上復合一定量的氮化物。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分氮源，從而降低材料的電阻率。
其中，TiN和ZrN可以在燒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面也會改變SiC陶瓷的物化性能，因此需要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.氮摻雜導電碳化硅陶瓷研究進展，楊建國、沈偉健、李華鑫、賀艷明、閭川陽、鄭文健、馬英鶴、魏連峰（材料工程）；
2.SiC基復相導電陶瓷的制備與性能研究，陳軍軍（中國科學院上海硅酸鹽研究所）；
3.碳化硅陶瓷燒結助劑的作用機制與研究進展，付振東、趙健、戴葉婧等（材料導報）。
