Ein Tiegel ist ein becherförmiges Gefäß, das in der chemischen Industrie verwendet wird. Es wurde erstmals bei alchemistischen Experimenten eingesetzt und dient dazu, Flüssigkeiten oder Feststoffe auf hohe Temperaturen zu erhitzen, was die Grundlage für den reibungslosen Ablauf chemischer Reaktionen bildet.
Die Anforderungen an das Material des Tiegels sind Hitzebeständigkeit und Robustheit, und bei hohen Temperaturen treten keine chemischen Reaktionen auf. Die ältesten Tiegel der Geschichte wurden aus Ton hergestellt. Bis heute ist es möglich, jedes beliebige Material, wie Quarzkeramik , Korund, Bornitrid , Zirkonoxid , Graphit sowie Platin, Nickel, Chrom und andere Metalle, in seinen Tiegel zu schmelzen oder zu verändern.
Bornitrid ist ein modernes Keramikmaterial mit breiten Anwendungsaussichten, das aus Stickstoffatomen und Boratomkristallen besteht, die chemische Zusammensetzung besteht aus 43,6 % Bor und 56,4 % Stickstoff und es gibt vier verschiedene Varianten: Hexagonales Bornitrid (HBN), kubisches Bornitrid (CBN), Rhombisches Bornitrid (RBN) und Wurtzit-Bornitrid (WBN).
Da das Bornitridmaterial einen mit Quarz vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, die Wärmeleitfähigkeit jedoch zehnmal höher ist als die des Quarzes, ist die Wärmeschockbeständigkeit recht gut, was die Bruchgefahr durch schnelle Temperaturschwankungen verringern kann, und mehrere Zyklen bei 20 bis 1200 °C sind problemlos möglich.
Darüber hinaus reagiert Bornitrid nicht mit Säuren, Basen, Glas und den meisten Metallen und hat eine geringe mechanische Festigkeit, die nur geringfügig höher ist als die von Graphit. Bei hohen Temperaturen tritt jedoch kein Erweichungsphänomen auf. Es kann mit herkömmlichen Metallverarbeitungsmaschinen verarbeitet werden und ist daher gut zum Schmelzen und Verdampfen von Metalltiegeln, Utensilien, Flüssigmetall-Transportrohren und Stahlgussformen geeignet.
Die derzeit auf dem Markt erhältlichen Bornitrid-Tiegel werden in zwei Typen unterteilt:
PBN-Tiegel
Normalerweise wird borhaltiges Gas (BCl3 oder B2H6) als Rohstoff verwendet und durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt. Da B2H6 jedoch hochgiftig ist, wird derzeit BCl3 als Rohstoff verwendet. Das borhaltige Gas wird pyrolysiert (1500-1800 ℃) und reagiert mit NH3 in einer Hochtemperaturreaktionskammer zu Bornitridfeststoffen. Die chemische Gleichung lautet wie folgt. Da bei der Reaktion eine Pyrolysereaktion stattfindet, wird es auch als pyrolytischer Bornitridtiegel (allgemein bekannt als PBN-Tiegel) bezeichnet.
Der Wachstumsprozess des PBN-Materials ähnelt „fallendem Schnee“, d. h., die während der Reaktion gewachsenen hexagonalen BN-Schneeflocken häufen sich ständig auf der erhitzten Graphitmatrix (Kernform). Mit der Zeit wird die Ansammlungsschicht dicker, d. h., die PBN-Schale wird gebildet, und die Form wird von den unabhängigen und reinen PBN-Komponenten entfernt, und die PBN-Beschichtung bleibt darauf zurück.
Da der PBN-Tiegel nicht den traditionellen Heißpress-Sinterprozess durchlaufen muss und kein Sintermittel hinzugefügt wird, weist er eine hohe Reinheit (99,99 % oder mehr) auf und die Betriebstemperatur unter Vakuum beträgt bis zu 1800 Grad und die Betriebstemperatur unter Atmosphärenschutz beträgt bis zu 2100 Grad (im Allgemeinen mit Stickstoff oder Argon). Er wird hauptsächlich für Verdampfung/Molekularstrahlepitaxie (MBE)/GaAs-Wachstum verwendet. Darüber hinaus ist der Preis des PBN-Tiegels aufgrund der langsamen Abscheidungsrate ziemlich hoch (meistens kleiner Tiegel).
BN-Tiegel
Gesinterte BN-Tiegel bestehen aus dem hexagonalen Kristallsystem von Bornitrid und Sinterhilfsmitteln (Y2O3 usw.) als Rohstoffen. Nach der Formgebung durch Sintern bei hohen Temperaturen weisen sie außerdem eine gute Hitzebeständigkeit, thermische Stabilität, Wärmeleitfähigkeit und Hochtemperatur-Durchschlagsfestigkeit auf und können den meisten Korrosionserscheinungen durch geschmolzenes Metall standhalten.
Da der gesinterte BN-Tiegel jedoch ein Sinterhilfsmittel (1 bis 6 Gew.-%) enthält, ist die Reinheit nicht so hoch wie beim PBN-Tiegel. Der Preis ist jedoch relativ niedrig und eignet sich für die Herstellung von Tiegeln großer Größe, die in Inertgasen wie Argon oder Stickstoff verwendet werden. Die maximale Temperatur beträgt 2800 °C. Die Stabilität in Sauerstoff ist schlecht und kann nur unter 900 °C verwendet werden.
Anwendung von Bornitrid-Tiegeln
Obwohl die Kosten für einen Tiegel aus Bornitrid höher sind, ist er aufgrund seiner guten Thermoschockeigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Schmierung, Hochtemperaturisolierung und Nichtreaktivität bei hohen Temperaturen in bestimmten Bereichen durchaus praktisch.
Aufgrund seiner ausgezeichneten chemischen Stabilität und der oben genannten Hochtemperaturisolationseigenschaften, der hohen Wärmeleitfähigkeit und der geringen Wärmeausdehnungseigenschaften eignet sich P-BN beispielsweise sehr gut als Material für den Einsatz im Halbleiterprozess und unter anderen Bedingungen mit strengen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Galliumarsenid, Galliumphosphid und Indiumphosphid.
Gleichzeitig kann der Bornitrid-Tiegel aufgrund seiner guten Bearbeitungsleistung, seiner extrem hohen Temperaturbeständigkeit und Durchschlagsfestigkeit auch zur Herstellung von Isoliermaterialien oder Glasvorrichtungen für verschiedene Heizgeräte, Heizrohrhülsen und Wärmeableitungsmaterialien für hohe Temperaturen, hohe Frequenzen und hohen Druck verwendet werden.
