燒結(jié)的氮化硼體以及制備燒結(jié)的氮化硼體的方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】燒結(jié)的氮化棚體從及制備燒結(jié)的氮化棚體的方法
【背景技術(shù)】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及燒結(jié)的氮化棚體及其制備方法，其中氮化棚體為此由六方氮化棚粉末 通過(guò)至少一個(gè)壓制過(guò)程和后續(xù)的燒結(jié)過(guò)程制得。
[0002] 總體而言，該種氮化棚體由六方氮化棚（H-BN)制成，其具有石墨狀結(jié)構(gòu)并且呈白 色。相比之下，由立方氮化棚（CBN)制成的燒結(jié)體表現(xiàn)出更高的硬度且呈黑色。后者用作 (例如）刀具材料。
[0003] 由六方氮化棚（H-BN)制成的氮化棚體被（例如）用于電絕緣體、用于金屬烙體的 烙模、用于烙爐組件W及用作晶體生長(zhǎng)的襯底。由于使用六方氮化棚，所W此類(lèi)氮化棚體具 有由經(jīng)由平面的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)成的層形成的晶體結(jié)構(gòu)。由于具有由各個(gè)平面層建立的 該石墨狀結(jié)構(gòu)，因此由六方氮化棚制成的此類(lèi)氮化棚體就至少某些物理特性而言（具體地 講，就導(dǎo)熱率或熱膨脹系數(shù)而言）表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性。所述特性根據(jù)與所述層垂直或 平行的空間方向不同而相差很大。例如，沿平行于所述層的方向（所謂"a-方向"）的導(dǎo)熱 率通常幾乎是沿與其垂直的方向的導(dǎo)熱率的兩倍。該方向被稱(chēng)為C-方向。該種各向異性 可W-方面歸因于各層內(nèi)原子之間的不同鍵合力，另一方面歸因于所述層之間的不同鍵合 力。根據(jù)氮化棚體的取向，該種由六方氮化棚制成的燒結(jié)的氮化棚體的特性因此表現(xiàn)出強(qiáng) 烈的方向依賴(lài)性。
[0004] 為了制備該種氮化棚體，通常在第一冷壓過(guò)程中對(duì)粉末進(jìn)行壓制W形成冷壓成型 體，其也稱(chēng)作巧體。所用的粉末由實(shí)際上至少100%的六方氮化棚組成。通常存在小部分 的氧化棚，例如，在介于1.5重量％和2重量％之間的范圍內(nèi)。所述粉末通常不再包含任何 另外的成分。該冷壓成型的巧體為低強(qiáng)度的巧體。冷壓在沒(méi)有外部供熱的情況下實(shí)施，具 體地講，W介于900 ? 10哺2000 ? 10 5化之間的壓制壓力等靜壓地進(jìn)行。冷壓成型體隨后 經(jīng)受第二過(guò)程，即熱壓過(guò)程。該過(guò)程通常在1200至1500度的溫度下進(jìn)行，導(dǎo)致獲得的氧化 棚烙融并因而充當(dāng)粘結(jié)劑。在熱壓期間，所述成型體被最大程度地壓縮而形成熱壓成型體。 在熱壓后進(jìn)行附加燒結(jié)，該過(guò)程亦稱(chēng)回火過(guò)程。通常普遍采用約1800度的溫度，氧化棚在 該溫度下蒸發(fā)。
[0005] 在燒結(jié)過(guò)程之后獲得的燒結(jié)的氮化棚體隨后仍可被機(jī)械加工W獲得所需的最終 幾何形狀。常規(guī)的燒結(jié)的氮化棚體通常具有約1.9g/cm 3的密度。
[0006] 在此類(lèi)氮化棚體中，高各向異性通常被認(rèn)為是不可取的。例如，常規(guī)氮化棚體的導(dǎo) 熱率在C-空間方向?yàn)榧s80W/mK，并且在a-空間方向?yàn)榧s130W/mK。因此，在導(dǎo)熱率上存在 超過(guò)40W/mK(在室溫下）的大差異。
[0007] 另一個(gè)問(wèn)題是導(dǎo)熱率的溫度依賴(lài)性。例如，在常規(guī)的燒結(jié)的氮化棚體中，導(dǎo)熱率表 現(xiàn)出極強(qiáng)的溫度依賴(lài)性。從室溫開(kāi)始到l〇〇〇°C范圍內(nèi)的操作溫度，C-空間方向上的導(dǎo)熱 率（例如）降至一半W下并接近S分之一。導(dǎo)熱率的強(qiáng)各向異性W及其強(qiáng)溫度依賴(lài)性因此 對(duì)使用此類(lèi)燒結(jié)的氮化棚體的用戶(hù)造成了困擾。在溫度改變期間，例如在加熱期間或另外 在被運(yùn)行的規(guī)定溫度分布中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員必須將導(dǎo)熱率的強(qiáng)烈變化考慮在內(nèi)。如起 初所指出的那樣，此類(lèi)燒結(jié)的氮化棚體也被使用，例如，用于金屬鑄造中的模具，或再者用 于烙融爐中。然而，對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用而言，為了能夠盡可能有效地控制制備過(guò)程（例如鑄造過(guò) 程），知道給定溫度下的導(dǎo)熱率至關(guān)重要。
[000引最后，就熱膨脹系數(shù)而言，強(qiáng)各向異性也帶來(lái)了問(wèn)題。由于存在強(qiáng)各向異性，因此 必須注意精確地在規(guī)定取向上使用氮化棚體。
[0009] 本發(fā)明要解決的問(wèn)題
[0010] 基于上文，本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提供一種具有改善特性的燒結(jié)的氮化棚體。
[0011] 問(wèn)題的解決方案
[0012] 該問(wèn)題根據(jù)本發(fā)明通過(guò)燒結(jié)的氮化棚體得到解決，所述燒結(jié)的氮化棚體由六方氮 化棚粉末通過(guò)至少一個(gè)壓制過(guò)程和后續(xù)的燒結(jié)過(guò)程制得，該燒結(jié)的氮化棚體具有<1. 6g/ cm3的密度。
[0013] 與六方氮化棚制成的已知燒結(jié)的氮化棚體相比，根據(jù)本發(fā)明的氮化棚體因此特征 在于密度顯著較低。研究已顯示該較低的密度與氮化棚體就基本特性（諸如導(dǎo)熱率或熱膨 脹系數(shù)）而言明顯改善的各向同性存在關(guān)聯(lián)。氮化棚體因此是各向同性的，即其特性（至 少在某些容限內(nèi)）不取決于方向。
[0014] 在制備過(guò)程中，結(jié)晶起始粉末中的有關(guān)晶體通常自身沿優(yōu)選的方向取向，因此整 個(gè)氮化棚體的特征在于兩個(gè)空間方向，即平行于所述層的a-方向和垂直于所述層的C-方 向。所述層通常取向?yàn)榇怪庇趬褐频姆较颉Ｋ圃斓牡矬w因此具有C-方向作為第一空 間方向，該C-方向在制備過(guò)程中取向?yàn)槠叫杏趬褐频姆较?。所制造的氮化棚體具有a-方 向作為第二空間方向，該方向取向?yàn)榕cC-方向垂直。因此，a-方向取向?yàn)榕c六方氮化棚的 所述層平行。最終制得的燒結(jié)的氮化棚體因此優(yōu)選地具有沿該兩個(gè)空間方向的方向至少大 致相同的各向同性。與常規(guī)的高密度的燒結(jié)六方氮化棚體相比，低密度的燒結(jié)的氮化棚體 的特性在方向依賴(lài)性方面（尤其是就導(dǎo)熱率而言）表現(xiàn)出明顯較小的差異。"大致各向同 性"因此應(yīng)理解為意指與常規(guī)的燒結(jié)的氮化棚體相比顯著改善的各向同性。
[0015] 具有較低密度的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于，在燒結(jié)過(guò)程期間，確保原料粉末中存在的 粘結(jié)劑（尤其是氧化棚）得W可靠地排出，特別是還從較深的材料層中排出。如起初闡釋 的那樣，氧化棚在約1800°C的燒結(jié)溫度下蒸發(fā)并因而從氮化棚體逸出。因此，該可靠地確保 燒結(jié)的氮化棚體不含氧化棚。對(duì)于其中在正常使用期間也可能達(dá)到該樣的高溫的此類(lèi)應(yīng)用 區(qū)域，尤其需要該樣。在此類(lèi)應(yīng)用中，氧化棚的排出將導(dǎo)致不希望的污染。品質(zhì)價(jià)值高的六 方氮化棚體因此應(yīng)當(dāng)不含氧化棚。
[0016] 在有利的設(shè)計(jì)中，制成的燒結(jié)的氮化棚體具有在限定的溫度下在不同空間方向上 相差不到15W/mK的導(dǎo)熱率。
[0017] 根據(jù)優(yōu)選的設(shè)計(jì)，氮化棚體此外具有在給定的溫度（特別是1200°C )下在不同 空間方向上相差不到0. 25*1(T7K的熱膨脹系數(shù)。在1200°C的溫度下，常規(guī)的氮化棚體沿 第一空間方向（C-方向）具有1. 6W/K的熱膨脹系數(shù)，且沿第二空間方向（a-方向）具有 0. 4*10-7K的熱膨脹系數(shù)。W絕對(duì)值計(jì)，差異因而為1. 2*l〇-e/K。
[001引在有利的設(shè)計(jì)中，所述特性還很大程度上與溫度無(wú)關(guān)；與常規(guī)的高密度的氮化棚 體相比，所述特性因此優(yōu)選地在從室溫至最高（例如）1000°C或甚至1200°C的溫度范圍內(nèi) 基本上恒定。就導(dǎo)熱率而言，"基本上恒定"應(yīng)理解為意指導(dǎo)熱率的值與在整個(gè)溫度范圍內(nèi) 的平均值的最大偏差為+/-10W/mK。另外就熱膨脹系數(shù)而言，其應(yīng)理解為意指與平均值的最 大偏差僅為+/-0. 15*10-7k。
[0019] 導(dǎo)熱率的絕對(duì)值優(yōu)選地在約20至35W/mK的范圍內(nèi)。熱膨脹系數(shù)的值優(yōu)選地在 0. 15至0. 40*10-7K的范圍內(nèi)。
[0020] 根據(jù)實(shí)施例的第一變型，在制備期間，粉末經(jīng)受兩步壓制過(guò)程，即冷壓過(guò)程和下游 工序的熱壓過(guò)程，其中規(guī)定密度被定在1. 2g/cm3至1. 6g/cm 3的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地最多高 達(dá)1.5g/cm3。在熱壓過(guò)程中，最大密度尤其通過(guò)路徑控制來(lái)調(diào)整。熱壓過(guò)程因此在給定的 壓縮路徑之后結(jié)束。熱壓過(guò)程通常在l〇〇〇°C至1500°C范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行。最大壓力通 過(guò)要獲得的所需密度來(lái)確定。在熱壓過(guò)程結(jié)束時(shí)，所述密度優(yōu)選地比最終的燒結(jié)的氮化棚 體的所需密度高約0. 1至0. 3g/cm3,尤其是0. 2g/cm3,該取決于燒結(jié)過(guò)程中蒸發(fā)的組分所占 的比例有多高。其原因在于，在后續(xù)的燒結(jié)或回火過(guò)程期間，任何仍殘留在氮化棚體中的氧 化棚都會(huì)蒸發(fā)，所述后續(xù)的燒結(jié)或回火過(guò)程優(yōu)選地W在1500°C至2000°C范圍內(nèi)的溫度且 尤其是約180(TC的溫度進(jìn)行。在體積保持不變的同時(shí)質(zhì)量減少，導(dǎo)致密度整體下降。
[0021] 根據(jù)可供選擇的實(shí)施例，在制備期間省掉熱壓過(guò)程，并且僅進(jìn)行具有下游燒結(jié)過(guò) 程的冷壓過(guò)程。此類(lèi)燒結(jié)的氮化棚體將有利地具有在0.9至1.2g/cm 3范圍內(nèi)的密度。出乎 意料地，上述措施因而提供了適用于由密度極其低于常規(guī)氮化棚體的六方氮化棚組成的應(yīng) 用范圍的氮化棚體。在冷壓過(guò)程期間（在后續(xù)的燒結(jié)過(guò)程之前）密度也被調(diào)整，該密度比 經(jīng)冷壓和燒結(jié)的氮化棚體的目標(biāo)最終密度高0. 1至0. 3g/cm3范圍內(nèi)的值（尤其是約0. 2g/ cm3)，具體取決于揮發(fā)性組分（尤其是氧化棚）的比例。
[0022] 出乎意料地，使用該種僅經(jīng)冷壓的氮化棚體同樣制備出了具有相對(duì)高價(jià)值的燒結(jié) 的氮化棚體。由于冷壓（生）成型體通常強(qiáng)度仍然很低，因此它們通常不能被燒結(jié)或在燒 結(jié)過(guò)程中很難做到（例如）不形成裂紋等。然而，研究現(xiàn)已表明，由于冷壓成型體也具有低 密度，因此在緊接的燒結(jié)過(guò)程中未出現(xiàn)與裂紋形成有關(guān)的問(wèn)題。該也使得能夠制出較大的 (尤其是較厚的）燒結(jié)的氮化棚體。
[0023] 有利地，最終制得的燒結(jié)的氮化棚體（尤其是對(duì)于所述實(shí)施例的兩個(gè)變型）相應(yīng) 地還具有〉30mm并且另外尤其是MOmm的厚度。垂直于沿厚度方向的取向，所述氮化棚體 (在有利的設(shè)計(jì)中）此外具有至少數(shù)十cm 2的表面積。制成的燒結(jié)的氮化棚體通常為板形 或者還有圓柱形/盤(pán)形的氮化棚體，其還可通過(guò)機(jī)械方法（例如銀割等）轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧淖?終幾何形狀。
[0024] 除了所述的機(jī)械加工步驟外，所述氮化棚體優(yōu)選地在燒結(jié)過(guò)程之后不經(jīng)受任何進(jìn) 一步處理。在燒結(jié)過(guò)程之后獲得的氮化棚體為單一的氮化棚體。
[0025] 所述問(wèn)題此外根據(jù)本發(fā)明通過(guò)用于制備具有權(quán)利要求9所述特征的該種燒結(jié)的 氮化棚體的方法得到解決。優(yōu)選的設(shè)計(jì)和改進(jìn)可見(jiàn)于從屬權(quán)利要求。關(guān)于所述氮化棚體和 優(yōu)選設(shè)計(jì)所描述的該些優(yōu)點(diǎn)也類(lèi)似地適用于所述方法。
[0026] 對(duì)于制備而言，首先對(duì)六方氮化棚粉末進(jìn)行冷壓W制得（生）成型體，該成型體在 進(jìn)一步的方法步驟中被燒結(jié)W形成氮化棚體，所述燒結(jié)的氮化棚體的密度被特別地調(diào)整到 <1. 6g/cm3,尤其是 <1. 5g/cm3的值。
[0027] 冷壓成型體的密度被有利地調(diào)整為在Ig/cm3至1. 3g/cm3的范圍內(nèi)。根據(jù)第一優(yōu) 選可選方案，冷壓過(guò)程之后仍是熱壓過(guò)程，在熱壓過(guò)程中成型體被進(jìn)一步壓縮。熱壓過(guò)程在 介于1000°C和1500°C之間的溫度下進(jìn)行。在該過(guò)程中，存在于粉末中的粘結(jié)劑成分（尤其 是氧化棚）發(fā)生液化，其優(yōu)選地W 1至2重量％的比例存在于所述粉末中。