氮化硼是我们都很熟悉的一种先进陶瓷材料，它有六种晶型，最常见的是立方氮化硼(c-BN)及六方氮化硼(h-BN)，其中c-BN和金刚石类似，主要用于制作切割工具；h-BN是有类似石墨的层状结构和晶格参数的白色粉末，也被称为白石墨，具有优秀的热导率和绝缘特性，因此是最受重视的一种晶型。

氮化硼粉体

不过就算同是六方晶系氮化硼，根据制备工艺的不同制品其实还能继续分出不同流派，一是采用无压烧结、热压烧结、热等静压烧结等高温烧结工艺制备的氮化硼陶瓷——目前一般认为热压烧结是比较理想的烧结方式，热压法制备的陶瓷因具有密度高、强度高，生产工艺成熟等优点得到广泛应用；二是采用化学气相沉积技术制备的热解氮化硼(Pyrolytic Boron Nitride,PBN)。二者在使用上到底有什么不同，我们就用热压氮化硼为与和热解氮化硼来对比一下。

1.热压氮化硼

热压氮化硼其实就是采用热压烧结技术制备的陶瓷材料。其具体制备流程如下：将干燥的粉体填入特制的石墨模具内，采用双向或单向的加压方式对模具进行单轴加压，同时在一定温度范围内加热，使成型和烧结同时进行。由于升温和加压同时进行，这种外加的驱动力可以破坏片状h-BN的卡片支撑结构，促进h-BN晶粒的重排，同时有效地降低烧结温度和缩短烧结时间。

根据资料显示，热压氮化硼是一种优良的电绝缘体，具有极好的润滑性及高温稳定性，即便在极高的温度下，也能保持其润滑性和惰性。氮化硼的机械性相对较差，但具有很高的热容量，优异的热传导性，出众的介电强度和易加工性。在惰性气氛中，氮化硼可以承受超过2000℃的高温，因此是一种理想的高温导热绝缘材料。

氮化硼陶瓷

另外，热压氮化硼具有各向异性的特性，原子排列垂直于压力方向时形成强键，表现出优良的强度、热学和电学特性。原子排列平行于压力方向时形成弱键，表现出优良的润滑性。根据上述特性，利用氮化硼陶瓷优良的化学稳定性，可用作熔化蒸发金属的坩埚、舟皿、液态金属输送管、合成GaAs晶体的坩埚、火箭喷嘴、大功率器件基座、熔化金属的管道、泵零件、铸钢模具、绝缘材料等。

2.热解氮化硼

热解氮化硼的制备工艺与前者有很大区别，是采用化学气相沉积技术，在高温、高真空条件下，由氨和硼的卤化物进行化学气相沉积（CVD）而成，既可以沉积成PBN薄板材料，也可以直接沉积成管、环或薄壁容器等PBN最终产品。

这种通过高温热解反应制备的氮化硼，具有高纯度、具有热导率高、机械强度高、电绝缘性好且无毒等异性能、化学惰性以及优异的结构和性能，使其成为元素提纯、化合物及化合物半导体晶体生长的理想容器。主要应用有 OLED蒸发单元、半导体单晶生长（VGF、LEC）坩埚、分子束外延（MBE）蒸发坩埚、MOCVD 加热器、多晶合成舟、高温、高真空设备绝缘板等。其具体的制备流程如下：

①A三氯化硼、氮气混合气和B氨气形成主流气体进入化学气相沉积炉内；

②A三氯化硼、氮气混合气和B氨气经过扩散离开主流气体向模芯表面扩散；

③扩散到模芯表面附近的A三氯化硼、氮气混合气和B氨气相互反应，反应产物C氮化硼扩散到达模芯表面；

④A三氯化硼、氮气混合气和B氨气反应生成C氮化硼和副产物D氯化氢；

⑤副产物D氯化氢和表面吸附的反应气体A三氯化硼、氮气混合气和B氨气离开模芯表面向主流气体扩散

⑥副产物D氯化氢和B氨气相互反应生成氯化铵，高温下又分解为副产物D氯化氢和B氨气在主流气体中扩散；

⑦副产物D氯化氢和多余的反应气体A三氯化硼、氮气混合气和B氨气随主流气体排出化学气相沉积炉系统外。

热解氮化硼的主要特点是纯度非常非常高，最高可达到99.999%以上（热压氮化硼通常只有约99%的纯度），造成这点的原因主要是它的制备过程无需添加任何烧结剂。也因此热解氮化硼有着许多独到的特性，如极好的化学稳定性和热稳定性，无孔隙，致密性好（其密度接近材料的理论密度值）等。

但是PBN跟热压氮化硼相比有一个缺点就是成本更高（因为沉积速度很慢），因此PBN制品都比较昂贵。

两者应用性能对比

同属六方晶系的热解氮化硼其实和热压氮化硼在应用上有很多相通之处，如蒸发坩埚、熔炼坩埚、绝缘板等，不过实际应用时它们还是会因性能的不同而存在区别。比如说PBN产品的总杂质通常<100 ppm，即纯度不低于99.99%。如此高的纯度，使得PBN坩埚更受半导体行业的青睐，可用作OLED蒸发单元、半导体单晶生长（VGF、LEC）坩埚等。而凭借高密度和纯度，PBN也是真空工艺中被广泛使用的材料，如高温、高真空设备绝缘板等。

热解氮化硼VGF坩埚（来源：北京博宇半导体）

还有一点值得注意的是，CVD工艺还会赋予PBN几乎完美的层状结构，如下图。从而导致各向异性的热导率——在沉积方向（a向）和垂直于沉积面方向（C向）上的热导率相差20倍左右，使其成为制造晶体生长坩埚的理想材料。因此在GaAs晶体生长领域，PBN坩埚也是一个很受欢迎的选择。

PBN材料断面SEM形貌：可以观察到，PBN呈现出堆垛层错，从而导致其平均层间距要大于理论的层间距。由于PBN在沉积过程中沿C轴方向生长，因此会表现出高度的层面取向，择优取向方向为C轴。

不过在有些应用上，也要考虑成本是否划得来。比如说熔炼金属，虽说PBN坩埚致密度高，无气孔，因此熔融状态的金属很难渗入坩埚壁内，当用小坩埚熔炼钛及其合金时，甚至在随炉冷却至室温的情况下也极易倒出，且并不会粘结。不过正如前面所提，PBN价格昂贵且一般造型小巧，因为哪怕使用PBN坩埚有更好的效果，工业生产上一般也不会这么“奢侈”。

另外，热压氮化硼也不是就没有优势了。首先它易于加工，更容易根据需求加工得到所需形状和尺寸；其次它更具成本效益，更适合作高温炉绝缘部件、热电偶保护管、熔融金属用坩埚或模具、非晶制带喷嘴及粉末金属雾化喷嘴等高温组件；最后热压氮化硼的制作工艺近年来也是进步连连，目前已经有部分热压氮化硼陶瓷可用于替代PBN，但实现它的重要前提是控制粉体原料中包括氧、硅、铝等杂质含量，其中又以氧含量为主。

氮化硼喷嘴（来源：赛瑞特）

总而言之，热解氮化硼和热压氮化硼其实各有各的优势，在应用时要根据自身的需求选择。小编才疏学浅，若有遗漏或错误，也欢迎各位在下方评论区留言指正，谢谢！

 

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