Leistungsunterschiede zwischen pyrolytischem Bornitrid und heißgepresstem Bornitrid
Bornitridist ein bekanntes fortschrittliches Keramikmaterial mit sechs Kristallphasen, wobei kubisches Bornitrid (c-BN) und hexagonales Bornitrid (h-BN) am häufigsten vorkommen. Unter diesen wird c-BN, ähnlich wie Diamant, hauptsächlich für Schneidwerkzeuge verwendet, während h-BN, aufgrund seiner Schichtstruktur und graphitähnlichen Gitterparametern auch als weißer Graphit bekannt, eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und Isolationseigenschaften besitzt, was es zu einem hervorragenden Material macht wertvollste Kristallphase.
Allerdings gibt es auch innerhalb des hexagonalen Kristallsystems von Bornitrid deutliche Variationen, die auf unterschiedlichen Herstellungstechniken beruhen. Eine davon ist Bornitrid-Keramik, die durch Hochtemperatur-Sinterverfahren wie druckloses Sintern, Heißpresssintern und heißisostatisches Presssintern hergestellt wird. Heißpresssintern wird allgemein als ideales Sinterverfahren angesehen, das Keramiken mit hoher Dichte und Festigkeit sowie ausgereiften Produktionsverfahren liefert und daher weit verbreitete Anwendungen findet. Die andere Variante ist pyrolytisches Bornitrid (PBN), das mithilfe von CVD-Techniken (Chemical Vapour Deposition) hergestellt wird. Vergleichen wir diese beiden, indem wir uns auf heißgepresstes Bornitrid und pyrolytisches Bornitrid konzentrieren.
Heißgepresstes Bornitridist ein Keramikmaterial, das mithilfe der Heißpress-Sintertechnologie hergestellt wird. Der spezifische Herstellungsprozess besteht darin, getrocknetes Pulver in speziell entwickelte Graphitformen zu füllen. Anschließend werden die Formen einem ein- oder zweiachsigen Druck ausgesetzt und gleichzeitig in einem bestimmten Temperaturbereich erhitzt, um sowohl das Formen als auch das Sintern zu erleichtern. Diese gleichzeitige Erwärmung und Druckbeaufschlagung zerstört die Schichtstruktur von h-BN, fördert die Kornneuordnung und senkt effektiv die Sintertemperatur und -zeit.
Heißgepresstes Bornitrid ist ein ausgezeichneter elektrischer Isolator mit hervorragender Schmierfähigkeit und Hochtemperaturstabilität. Es behält seine Schmier- und Inerteigenschaften auch bei extrem hohen Temperaturen. Während seine mechanische Festigkeit relativ gering ist, zeichnet es sich durch eine hohe Wärmekapazität, eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, eine außergewöhnliche Durchschlagsfestigkeit und eine einfache Verarbeitung aus. Unter inerten Atmosphären kann Bornitrid Temperaturen von über 2000 °C standhalten, was es zu einem idealen Material für die Hochtemperatur-Wärmeisolierung macht.
Darüber hinaus weist heißgepresstes Bornitrid anisotrope Eigenschaften auf. Wenn die Atomanordnung senkrecht zur Druckrichtung ist, bilden sich starke Bindungen, was zu überlegener Festigkeit sowie überlegenen thermischen und elektrischen Eigenschaften führt. Umgekehrt bildet die Ausrichtung der Atome parallel zur Druckrichtung schwache Bindungen, was zu einer hervorragenden Schmierfähigkeit führt. Aufgrund dieser Eigenschaften und ihrer chemischen Stabilität werden Bornitridkeramiken für verschiedene Anwendungen verwendet, z. B. für Tiegel zum Schmelzen verdampfter Metalle, Boote, Transferrohre für flüssiges Metall, Tiegel für die Synthese von GaAs-Kristallen, Raketendüsen, Substrate für Hochleistungsgeräte, Rohrleitungen für geschmolzenes Metall, Pumpenkomponenten, Gussstahlformen und Isoliermaterialien.
2. Pyrolytisches Bornitrid (PBN)
Der Herstellungsprozess von PBN unterscheidet sich deutlich von dem von heißgepresstem Bornitrid. PBN wird mithilfe der chemischen Gasphasenabscheidungstechnologie (CVD) unter Hochtemperatur- und Hochvakuumbedingungen hergestellt. Dabei handelt es sich um die chemische Gasphasenabscheidung von Ammoniak und Borhalogeniden zur Bildung von PBN-Materialien, die als dünne Platten oder direkt als Endprodukte wie Rohre, Ringe oder dünnwandige Behälter abgeschieden werden können.
Durch pyrolytische Hochtemperaturreaktionen hergestelltes PBN zeichnet sich durch hohe Reinheit, hohe Wärmeleitfähigkeit, mechanische Festigkeit, gute elektrische Isolierung, chemische Inertheit, hervorragende Struktur und Leistung aus. Dies macht es zu einem idealen Behälter für die Elementreinigung sowie das Kristallwachstum von Verbindungen und Verbindungshalbleitern. PBN hat verschiedene Anwendungen, darunterOLED-VerdampfungEinheiten, Tiegel für die Züchtung von Halbleiter-Einkristallen (VGF, LEC), Tiegel für die Molekularstrahlepitaxie (MBE), MOCVD-Heizungen, Boote für die polykristalline Synthese, Isolationsplatten für Hochtemperatur- und Hochvakuumgeräte und mehr. Allerdings ist PBN aufgrund der langsamen Abscheidungsraten teurer, was PBN-Produkte relativ teuer macht.
Obwohl beide Varianten von hexagonalem Bornitrid gemeinsame Anwendungen wie Verdampfungstiegel, Schmelztiegel und Isolierplatten haben, führen ihre Leistungsunterschiede dennoch zu Unterschieden in der tatsächlichen Verwendung. Beispielsweise weisen PBN-Produkte typischerweise Gesamtverunreinigungen von weniger als 100 ppm auf, was eine Reinheit von über 99,99 % gewährleistet. Diese hohe Reinheit macht PBN-Tiegel in der Halbleiterindustrie beliebter und eignet sich für Anwendungen wie OLED-Verdampfungseinheiten und Tiegel für die Züchtung von Halbleiter-Einkristallen (VGF, LEC). Aufgrund der hohen Dichte und Reinheit von PBN wird es auch häufig in Vakuumprozessen eingesetzt, einschließlich Isolierplatten für Hochtemperatur- und Hochvakuumgeräte.
Es ist erwähnenswert, dass CVD-Prozesse PBN nahezu perfekte Schichtstrukturen verleihen, was zu einer anisotropen Wärmeleitfähigkeit mit einem etwa 20-fachen Unterschied zwischen der Abscheidungsrichtung (a-Achse) und senkrecht zur Abscheidungsebene (C-Achse) führt. Diese Eigenschaft macht PBN zu einem idealen Material für Kristallzüchtungstiegel, beispielsweise im Bereich der GaAs-Kristallzüchtung.
Für bestimmte Anwendungen spielen jedoch auch Kostenaspekte eine Rolle. Bei Anwendungen zum Schmelzen von Metallen sind PBN-Tiegel beispielsweise teuer, obwohl sie eine hohe Dichte haben und porenfrei sind, wodurch geschmolzenes Metall nur schwer in die Tiegelwände eindringen kann. Auch wenn die Verwendung von PBN-Tiegeln bessere Ergebnisse liefern könnte, rechtfertigt die industrielle Produktion den Luxus aufgrund der hohen Kosten möglicherweise nicht immer.
Zusätzlich,heißgepresstes Bornitridhat auch seine Vorteile. Es ist einfacher zu verarbeiten und entsprechend den Anforderungen zu formen, was es für Komponenten wie z. B. kostengünstiger machtIsolierteile für Hochtemperaturöfen,Thermoelement-Schutzrohre,Tiegel oder Formen zum Schmelzen von Metalls, amorphe Banddüsen und MetallpulverZerstäubungsdüsenfürHochtemperaturanwendungen. Darüber hinaus haben jüngste Fortschritte im Produktionsprozess von heißgepressten Bornitridkeramiken es einigen von ihnen ermöglicht, PBN zu ersetzen, allerdings unter der entscheidenden Voraussetzung, den Gehalt an Verunreinigungen, insbesondere Sauerstoff, Silizium und Aluminium, im Pulvermaterial zu kontrollieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass pyrolytisches Bornitrid und heißgepresstes Bornitrid jeweils ihre eigenen Vorteile haben und die Auswahl auf spezifischen Anwendungsanforderungen basieren sollte.
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