一种高纯高电阻率碳化硅制件及其成型工艺的制作方法

1.本技术涉及陶瓷材料的技术领域，更具体地说，涉及一种高纯高电阻率碳化硅制件及其成型工艺。


背景技术：

2.碳化硅因其si-c键的强共价键属性，具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨等优势性能，并具有适当的电学特性。这些优势性能使得高纯碳化硅制件(支架、法兰、夹具、导轨等)在高辐射、高温、高腐蚀性等特种环境中得以长时间工作，在芯片刻蚀、航空航天、核工业等高附加值产业中具有高度需求。
3.以中国发明专利cn104098335a为主的现有烧结技术，可以通过杂化非晶相一定程度上解决碳化硅陶瓷制件的低电阻率问题，但因工艺限制，具有以下明显缺点：其烧结工艺仍添加大量烧结助剂，极大地降低了碳化硅的纯度，过多的al、o、er等元素对洁净腔体内的环境影响较大；烧结工艺导致的致密度难以保证，因此耐腐蚀性有待验证。
4.以期刊journal of crystal growth,1978,43(2):209-212为技术理论基础，衍生出的现有工艺是以中国发明专利cn109234805a为主的物理气相传输方式，可产出高纯、高电阻率、高密度碳化硅块状材料，但因工艺限制，具有以下明显缺点：该工艺技术只能生产柱/饼状单晶碳化硅，碳化硅材料在应用条件下必须经过机加；碳化硅极高的硬度使得制件机加成型具有极高的难度，良品率难以保证；由于块状高纯、高电阻率、高密度碳化硅材料造价高，而较大的切削量造成必然会造成极大浪费。
5.传统的模压粉末烧结工艺一定程度上可以成型并制备简单形状的碳化硅制件，但因工艺限制，具有以下明显缺点：由于碳化硅不易烧结的特性，须添加大量c、b类烧结助剂，其制件纯度、密度、电阻率性能通常不足；对于长伸支的、形状较复杂的制件，开模时都会面临脱模损伤、制件胚体变形等问题，特别是多侧抽芯、多分型方向的复杂结构模具设计难度大，难以高压成型。因此，在制备多凸块、长伸支的碳化硅制件(支架、法兰、夹具、导轨等)时，传统的模压粉末烧结工艺难以成型，且制件纯度、密度、电阻率难以保证。
6.以中国发明专利cn108409330b为主的现有技术是直接墨水书写的3d打印工艺，该工艺可以成型较高纯度(99％)、较高致密度(3.168g/cm3)的碳化硅复杂制件，但因工艺限制，存在以下缺点：直接墨水书写3d打印工艺在成型过程中难以打印支撑结构，在成型支架等长伸支的结构时难以维持形状；该工艺制备的碳化硅复杂制件内部含有大量sio2颗粒，引入大量氧元素杂质，极大地限制了其高温应用效果；该工艺制备的碳化硅制件纯度(99％)仍然达不到高等级洁净室要求。
7.综上所述，由于碳化硅烧结本质的工艺限制与其材料本征过高的硬度值，高纯、高密度、高电阻率的多凸块、长伸支的碳化硅有效制件的制备难以解决。目前，暂无制备高纯、高密度、高电阻率的碳化硅较复杂制件(支架、特种法兰、夹具、导轨等)的相关技术报道。


技术实现要素：

8.传统工艺制备的碳化硅制件通常采用模压粉末烧结工艺，但由于碳化硅的低烧结扩散特性，其制件致密度不足，而添加大量烧结助剂导致其纯度不足，从而导致其电阻率低，耐腐蚀、高温性能差。也可通过物理气相传输法制备高纯高电阻率的碳化硅制件，通过机械加工的方式成型简单制件。但该碳化硅制作工艺复杂，成本高昂，且该工艺限制无法制备异形结构，碳化硅极高的硬度使得机加工具有极高的难度，良品率难以保证，而较大的切削量造成极大浪费。
9.针对上述情况，为克服现有烧结技术制备的碳化硅制件纯度、密度、电阻率不足，且难以制备多凸块、长伸支类制件的缺陷，实现高纯高电阻率碳化硅制件的成型与制备，本技术创新性地提供一种高纯高电阻率碳化硅制件及其成型工艺，解决了该类制件的无法有效制备难题。
10.第一方面，本技术提供一种高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺，采用如下的技术方案：
11.一种高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺，具体包括以下步骤(注：工艺全程不可引入杂质离子与小粒径颗粒)：
12.步骤1：使用3d建模软件建立碳化硅制件数字模型；
13.步骤2：在垂直于所述碳化硅制件数字模型z轴方向上对所述碳化硅制件数字模型进行若干次切片操作，并在切片的垂直方向进行投影，获得切片的二维图形；
14.步骤3：根据所述切片的二维图形制备相应形状的用于化学气相沉积的基底模具；
15.步骤4：在所述基底模具上化学气相沉积高纯度碳化硅薄片，并控制沉积获得的高纯度碳化硅薄片的沉积厚度与所述切片的厚度一致；
16.步骤5：取出步骤4沉积获得的高纯度碳化硅薄片及基底模具，并放置于马弗炉均匀加热，直至基底模具完全氧化去除，获得高纯度碳化硅薄片；
17.步骤6：对步骤5获得的高纯度碳化硅薄片进行双面磨抛加工，去除碳化硅表面数十微米的氧化层，获得磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片；
18.步骤7：在所述磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片的一单面上制备高纯碳层；
19.步骤8：在步骤7获得的高纯度碳化硅薄片的另一单面上制备高纯硅层；
20.步骤9：将步骤8获得的高纯度碳化硅薄片按照所述碳化硅制件数字模型的切片顺序进行组装，获得碳化硅组装件，并保证所有接触区两面分别是高纯硅层、高纯碳层；
21.步骤10：将所述碳化硅组装件放置于气氛炉中烧结使高纯度碳化硅薄片粘结成型，获得成型制件；
22.步骤11：将所述成型制件做精加工，得到高纯高电阻率碳化硅制件。
23.本技术创新性地提出了一种成型工艺，具体如下：将数字模型切片，并将切片形状分别化学气相沉积高纯高电阻率碳化硅薄片，再将沉积后的高纯高电阻率碳化硅薄片组装烧结得到目标制件。通过控制切片参数，将制件整体“化整为零”，分别沉积，在精确控制成型的基础上，极大地提升了化学气相沉积的制备效率。通过精确控制接触面高纯硅层/高纯碳层厚度与组分、多段烧结温度梯度，使得组装烧结具有可行性，且粘接牢固，制件稳定。利用本技术的成型工艺制得的高纯高电阻率碳化硅制件具有高纯度(＞99.98％)、高密度(＞3.204g/cm3)、机加削减量低(0.4-1％)、高硬度(3405hv)、高电阻率(＞4.32
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cm)等
诸多优势，并具备碳化硅材料的耐磨、耐腐蚀、耐高温等本征特性。
24.本技术步骤1中提到的3d建模软件的作用在于建立碳化硅制件的数字模型，现有技术中可实现该目的的3d建模软件均可为本技术所用。
25.优选地，所述步骤1中，将数字模型z轴方向尺寸乘1.02-1.05系数。
26.优选地，所述步骤2中，根据所述碳化硅制件数字模型的实际尺寸、实际特征选择切片厚度与切片高度。
27.优选地，选择所述碳化硅制件数字模型的横向拓展处为切片边缘位置。
28.优选地，所述切片厚度为0.5-5mm。
29.优选地，所述步骤3中，将所述碳化硅制件数字模型x、y轴方向尺寸乘1.05-1.1系数。
30.优选地，所述基底模具为高纯石墨模具。
31.优选地，所述基底模具的厚度为1-2mm。
32.优选地，所述步骤4中，通过控制所述化学气相沉积的沉积时长、气体压强，使得沉积获得的高纯度碳化硅薄片的沉积厚度与步骤2所述切片的厚度一致。
33.优选地，所述高纯度碳化硅的沉积厚度为0.5-5mm。
34.优选地，所述化学气相沉积的反应气体采用ch3sicl3、c7h
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si2、sih4、sih3cl、sih2cl2、sihcl3、sicl4、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷中的一种或几种。
35.优选地，所述反应气体为高纯度ch3sicl3。
36.优选地，所述化学气相沉积的载气成分为高纯h2。
37.优选地，所述化学气相沉积的载气与反应气体气流量比为6-10。
38.优选地，所述化学气相沉积的反应温度为1000-1350℃。
39.优选地，所述化学气相沉积的反应升降温速度为1-5℃/min。
40.优选地，所述化学气相沉积的分散气体成分为高纯ar气。
41.优选地，所述分散气体占比为整体的40-90％。
42.优选地，所述化学气相沉积的腔室内气压为100-1500pa。
43.优选地，所述马弗炉内的炉内温度在700-800℃。
44.优选地，所述步骤6中，所述磨抛加工的工艺为常规高纯材料磨抛工艺。
45.优选地，所述磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片的表面粗糙度为ra0.25-1.6。
46.优选地，所述高纯碳层的制备方式包括但不限于低压化学气相沉积、真空蒸镀。
47.优选地，所述高纯碳层的厚度为0.6-5μm。
48.优选地，所述高纯碳层的表面粗糙度大于ra 0.4。
49.优选地，对于非接触面区域的表面采取遮盖措施避免沉积。
50.优选地，所述高纯硅层的制备方式包括但不限于等离子体增强化学气相沉积、低压化学气相沉积、真空蒸镀等薄膜制备方式。
51.优选地，所述高纯硅层的厚度为0.5-5μm。
52.优选地，所述高纯硅层为非晶相或细晶相。
53.优选地，对于非接触面区域的表面采取遮盖措施避免沉积。
54.优选地，所述步骤9中，组装时每一接触面的高纯硅层置于高纯碳层之上。
55.优选地，组装后在切片垂直方向上施加持续压力。
56.优选地，所述施加的压力为0.05-3mpa。
57.优选地，所述步骤10中，所述烧结的工艺为：采用ar气保护下的两段式烧结曲线，分别为中温反应烧结与高温扩散烧结。
58.优选地，所述烧结的烧结曲线为：以1-5℃/min的升温速度升温至1450-1600℃并保温1-3h，以0.5-3℃的升温速度升温至2100-2200℃并保温0.5-3h，并以3-10℃/min的降温速度冷却至室温。
59.优选地，所述步骤11中，所述精加工是对切片烧结过渡处的棱角进行圆角化处理。
60.第二方面，本技术提供一种利用上述成型工艺制得的高纯高电阻率碳化硅制件。
61.综上所述，本技术具有以下有益效果：
62.本技术提出了制备碳化硅制件的全新制备思路。采用了数字模型切片，并将切片形状分别化学气相沉积高纯高电阻率碳化硅薄片，再将沉积后的高纯高电阻率碳化硅薄片组装烧结得到目标制件的创新工艺。与现有技术中制备碳化硅制件的工艺相比，具有以下优势：
63.1、本技术可制备较复杂结构的高纯高电阻率碳化硅制件(支架、法兰、夹具、导轨等)，该工艺可避免现有模压粉末烧结工艺的开模损伤、坯体变形等问题，可成型更长伸支制件。
64.2、本技术的“化整为零、化零为整”的高纯高电阻率碳化硅制件的成型思路，避免了较复杂制件制备的粉末冶金工艺，从而避免了大量助剂的添加问题，大大提升了制件的纯度与密度。本技术的碳化硅制件具有高纯度(＞99.99％)、高密度(＞3.204g/cm3)的优异性能。
65.3、对于本技术制得的高纯高电阻率碳化硅较复杂结构制件，在组装烧结成型后只需要经过约0.4-1％的机加削减量即可成件，避免了物理气相传输方式制备的柱/饼状高纯碳化硅材料的大量切削加工问题，从而极大程度上避免了高纯碳化硅高硬度难以加工的难题，极大地提高了良品率，适宜工业批量生产。
66.4、本技术制得的高纯高电阻率碳化硅制件具有高硬度(3405hv)、高电阻率(＞4.32
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cm)等诸多优势，并具备碳化硅材料的耐磨、耐腐蚀、耐高温等本征特性。
附图说明
67.图1为本技术提供的高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺的流程图。
68.图2为实施例1中碳化硅制件数字模型的示意图。
69.图3为实施例1中碳化硅制件数字模型的切片的二维图形。
70.图4为实施例2中碳化硅制件数字模型的示意图。
71.图5为实施例2中碳化硅制件数字模型的切片的二维图形。
具体实施方式
72.本技术提供的一种高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺，具体包括以下步骤：
73.步骤1：使用3d建模软件建立碳化硅制件数字模型。为抵消磨抛操作带来的碳化硅制件在z轴方向上的尺寸不足，将数字模型z轴方向尺寸乘误差系数。优选地，将数字模型z轴方向尺寸乘1.02-1.05系数。
74.步骤2：在步骤1获得的碳化硅制件数字模型的基础上，在垂直于碳化硅制件数字模型z轴方向上对其进行若干次切片操作，并在切片的垂直方向进行投影，获得切片的二维图形。根据碳化硅制件的实际尺寸，实际特征选择切片厚度与切片高度。优选地，切片厚度为0.5-5mm。
75.步骤3：根据步骤2获得的切片的二维图形制备相应形状的用于化学气相沉积的基底模具。为后续少量机加留有余量，将数字模型x、y轴方向尺寸乘误差系数。优选地，将所述碳化硅制件数字模型x、y轴方向尺寸乘1.05-1.1系数。优选地，基底模具的厚度为1-2mm。
76.步骤4：在步骤3获得的基底模具上化学气相沉积高纯度碳化硅薄片，并通过控制化学气相沉积的沉积时长、气体压强，使得沉积获得的高纯度碳化硅薄片的沉积厚度与步骤2的切片厚度一致。优选地，高纯度碳化硅的沉积厚度为0.5-5mm。
77.步骤5：取出步骤4沉积获得的高纯度碳化硅薄片及基底模具，并放置于马弗炉均匀加热，直至基底模具完全氧化去除，获得高纯度碳化硅薄片。
78.步骤6：对步骤5获得的高纯度碳化硅薄片进行适当的双面磨抛加工，去除碳化硅表面数十微米的氧化层，获得磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片，并保留一定粗糙度。优选地，磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片的表面粗糙度为ra0.25-1.6。
79.步骤7：在步骤6获得的磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片的单面上制备高纯碳层。制备方式包括但不限于高分子前驱体薄膜热解、低压化学气相沉积、真空蒸镀等薄膜制备方式。该步骤制备的高纯碳层应该尽量薄，并具备一定的表面粗糙度。对于非接触面区域的表面可采取遮盖措施避免沉积。优选地，高纯碳层的厚度为0.6-5μm。优选地，高纯碳层的表面粗糙度大于ra 0.4；
80.步骤8：在步骤7获得的高纯度碳化硅薄片的另一单面上制备高纯硅层。制备方式包括但不限于等离子体增强化学气相沉积、低压化学气相沉积、真空蒸镀等薄膜制备方式。当高纯硅层为非晶相或细晶相时，硅碳薄膜反应烧结更充分，杂质相更少。该步骤制备的高纯硅层应该尽量薄，与相同面积碳层的原子摩尔比应贴近1:1。对于非接触面区域的表面可采取遮盖措施避免沉积。优选地，高纯硅层的厚度为0.5-5μm。优选地，高纯硅层为非晶相或细晶相；
81.步骤9：将步骤8获得的高纯度碳化硅薄片按照步骤2的碳化硅制件数字模型的切片顺序进行组装，获得碳化硅组装件，并保证所有接触区两面分别是高纯硅层、高纯碳层。对于每一接触面，高纯硅层置于高纯碳层之上，让硅在反应烧结的液化过程中可充分溶渗扩散并充分反应。组装后在z轴方向(切片垂直方向)可施加持续压力。优选地，施加的压力为0.05-3mpa。
82.步骤10：将步骤9获得的碳化硅组装件放置于气氛炉中烧结使高纯度碳化硅薄片粘结成型，获得成型制件。烧结工艺采用ar气保护下的两段式烧结曲线(中温反应烧结与高温扩散烧结)：反应烧结可使硅层与粗糙碳层反应生成碳化硅，高温扩散烧结起到定型作用，减少反应层与薄片制件的内应力，使其晶型均一，并进一步使反应完全，得到高纯度的碳化硅制件。温度越高，碳化硅制件体积越大，相应的升降温速度越向低值区间选择。烧结过程中可施加与切片数相关的持续压力，切片数越多施加压力越大。
83.步骤11：将步骤10获得的成型制件做精加工，得到高纯高电阻率碳化硅制件。精加工时可对切片过渡处的棱角进行圆角化处理。
84.本技术还提供了利用上述成型工艺制得的高纯高电阻率碳化硅制件。利用本技术的成型工艺制得的高纯高电阻率碳化硅制件具有高纯度(＞99.98％)、高密度(＞3.204g/cm3)、机加削减量低(0.4-1％)、高硬度(3405hv)、高电阻率(＞4.32
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cm)等诸多优势，并具备碳化硅材料的耐磨、耐腐蚀、耐高温等本征特性。
85.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
86.以下结合实施例、附图、对比例以及性能检测结果对本技术作进一步详细说明。
87.实施例
88.实施例1
89.本实施例提供了一种高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺。
90.具体包括以下步骤：
91.步骤1：利用3d建模软件建立碳化硅制件数字模型，本实施例中碳化硅制件数字模型具体如图2所示。为抵消磨抛操作带来的碳化硅制件在z轴方向上的尺寸不足，将数字模型z轴方向尺寸乘1.03系数。
92.步骤2：在步骤1获得的碳化硅制件数字模型的基础上，在垂直于碳化硅制件数字模型z轴方向上对其进行32次切片操作，并在切片的垂直方向进行投影，获得切片的二维图形。本实施例中碳化硅制件数字模型的切片的二维图形如图3所示。本实施例中碳化硅制件的切片厚度为2mm。
93.步骤3：根据步骤2获得的切片的二维图形制备相应形状的高纯石墨模具(高纯石墨模具作为化学气相沉积的基底)。为后续少量机加留有余量，将数字模型x、y轴方向尺寸乘1.07系数。高纯石墨模具的厚度为1mm。
94.步骤4：在步骤3获得的高纯石墨模具上化学气相沉积高纯度碳化硅薄片，并通过控制沉积时长来控制高纯度碳化硅薄片的沉积厚度为2mm。沉积用反应气体采用高纯度ch3sicl3，载气成分为高纯h2，载气与反应气体气流量比为8，沉积反应温度为1100℃，升降温速度为2℃/min，分散气体成分为高纯ar气，分散气体占比为整体的70％，腔室内气压为1000pa。
95.步骤5：取出步骤4沉积获得的高纯度碳化硅薄片及高纯石墨模具，并放置于马弗炉中，炉内温度750℃均匀加热，直至高纯石墨模具完全氧化去除，获得高纯度碳化硅薄片。
96.步骤6：对步骤5获得的高纯度碳化硅薄片进行双面磨抛加工，去除碳化硅表面数十微米的氧化层，获得磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片，磨抛表面粗糙度为ra 0.5。
97.步骤7：在步骤6获得的磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片的单面上以丙烷为反应气体利用化学气相沉积制备高纯碳层。高纯碳层的厚度为2μm。对于非接触面区域的表面采取遮盖措施避免沉积。
98.步骤8：在步骤7获得的高纯度碳化硅薄片(一面为高纯碳层)的另一单面上使用低压化学气相沉积的方式制备高纯硅层。高纯硅层为细晶相，厚度为2μm。对于非接触面区域的表面采取遮盖措施避免沉积。
99.步骤9：将步骤8获得的高纯度碳化硅薄片(一面为高纯碳层，另一面为高纯硅层)按照步骤2的碳化硅制件数字模型的切片顺序进行组装，获得碳化硅组装件，并保证所有接
触区两面分别是高纯硅层、高纯碳层，每一接触面的高纯硅层置于高纯碳层之上，组装后在z轴方向(切片垂直方向)施加0.5mpa的持续压力。
100.步骤10：将步骤9获得的碳化硅组装件放置于气氛炉中烧结使高纯度碳化硅薄片粘结成型，获得成型制件。烧结工艺采用ar气保护下的两段式烧结曲线(中温反应烧结与高温扩散烧结)。烧结曲线为：以4℃/min的升温速度升温至1500℃并保温2h，以1℃的升温速度升温至2100℃并保温2h，并以10℃/min的降温速度冷却至室温。
101.步骤11：将步骤10获得的成型制件做精加工(对切片烧结过渡处的棱角进行圆角化处理)，获得高纯高电阻率碳化硅制件。
102.实施例2
103.本实施例提供了一种高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺。本实施例与实施例1的不同之处在于：制件形状、尺寸；各步骤参数。
104.具体包括以下步骤：
105.步骤1：利用3d建模软件建立碳化硅制件数字模型，本实施例中碳化硅制件数字模型具体如图4所示。为抵消磨抛操作带来的碳化硅制件在z轴方向上的尺寸不足，将数字模型z轴方向尺寸乘1.05系数。
106.步骤2：在步骤1获得的碳化硅制件数字模型的基础上，在垂直于碳化硅制件数字模型z轴方向上对其进行29次切片操作，并在切片的垂直方向进行投影，获得切片的二维图形。本实施例中碳化硅制件数字模型的切片的二维图形如图5所示。本实施例中碳化硅制件的切片厚度为2.2mm。
107.步骤3：根据步骤2获得的切片的二维图形制备相应形状的高纯石墨模具。为后续少量机加留有余量，将数字模型x、y轴方向尺寸乘1.09系数。高纯石墨模具的厚度为1mm。
108.步骤4：在步骤3所得的高纯石墨模具上化学气相沉积高纯度碳化硅薄片，并通过控制沉积时长来控制高纯度碳化硅薄片的沉积厚度为2.2mm。沉积用反应气体采用高纯度ch3sicl3，载气成分为高纯h2，载气与反应气体气流量比为6，沉积反应温度为1150℃，升降温速度为2℃/min，分散气体成分为高纯ar气，分散气体占比为整体的60％，腔室内气压为800pa。
109.步骤5：取出步骤4沉积获得的高纯度碳化硅薄片及高纯石墨模具，并放置于马弗炉中，炉内温度800℃均匀加热，直至高纯石墨模具完全氧化去除，获得高纯度碳化硅薄片。
110.步骤6：对步骤5获得的高纯度碳化硅薄片进行双面磨抛加工，去除碳化硅表面数十微米的氧化层，获得磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片，磨抛表面粗糙度为ra 1.6。
111.步骤7：在步骤6获得的磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片的单面上使用真空蒸镀的方式制备高纯碳层。具体地，高纯碳层是通过在真空腔室内激光源升华纳米级石墨烯膜料制得的，对于非接触面区域的表面采取遮盖措施避免沉积。
112.步骤8：在步骤7获得的高纯度碳化硅薄片(一面为高纯碳层)的另一单面上使用低压化学气相沉积的方式制备高纯硅层。高纯硅层为非晶相，厚度为1μm。对于非接触面区域的表面采取遮盖措施避免沉积。
113.步骤9：将步骤8获得的高纯度碳化硅薄片(一面为高纯碳层，另一面为高纯硅层)按照步骤2的碳化硅制件数字模型的切片顺序进行组装，获得碳化硅组装件，并保证所有接触区两面分别是高纯硅层、高纯碳层，每一接触面的高纯硅层置于高纯碳层之上，组装后在
z轴方向(切片垂直方向)施加0.1mpa的持续压力。
114.步骤10：将步骤9获得的碳化硅组装件放置于气氛炉中烧结使高纯度碳化硅薄片粘结成型，获得成型制件。烧结工艺采用ar气保护下的两段式烧结曲线(中温反应烧结与高温扩散烧结)。烧结曲线为：以5℃/min的升温速度升温至1500℃并保温2h，以1℃的升温速度升温至2100℃并保温0.5h，并以10℃/min的降温速度冷却至室温。
115.步骤11：将步骤10获得的成型制件做精加工(对切片烧结过渡处的棱角进行圆角化处理)，获得高纯高电阻率碳化硅制件。
116.实施例3
117.本实施例提供了一种高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺。本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤10的烧结曲线。
118.本实施例中步骤10的烧结曲线为：以10℃/min的升温速度升温至1500℃并保温1h，以1℃的升温速度升温至2100℃，同时将压力逐步升高至30mpa，并保温2h，以10℃/min的降温速度冷却至室温。
119.对比例
120.对比例1
121.对比例1提供了一种碳化硅制件的模压成型工艺。该工艺为现有技术，具体包括以下步骤：
122.步骤1：使用商业产品碳化硅造粒粉(内含高纯度碳化硅颗粒95％、3％烧结助剂、2％酚醛填料)作为原料，进行后续操作。
123.步骤2：将造粒粉填入模具中，等静压200mpa，时长2min。
124.步骤3：设置脱胶与烧结加热曲线，最高为2100℃，保温3h。
125.对比例2
126.对比例2提供了一种高电阻率碳化硅制件的烧结成型工艺。该对比例的工艺基于申请公布号为cn104098335a的专利申请，具体包括以下步骤：
127.步骤1：碳化硅粉体和烧结助剂(al2o
3 1.54wt％，er2o
3 3.46wt％)一共100g，以100g酒精为溶剂，将3种粉体配成固含量为50wt％的浆料。
128.步骤2：以碳化硅球200g为球磨介质，行星球磨浆料4h，然后在恒温箱中60℃烘干为止。
129.步骤3：将得到的块体研磨粉碎，再经过100目的筛子过筛，脱粘后在放电等离子体烧结炉中真空下烧结，烧结温度为1700℃，保温时间为10min。
130.对比例3
131.对比例3提供了一种高纯碳化硅制件的成型工艺。该对比例的工艺基于申请公布号为cn109234805a的专利申请的物理气相传输技术。
132.对比例4
133.对比例4提供了一种高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺。该对比例与实施例1的区别在于：不进行步骤7制备高纯碳层和步骤8制备高纯硅层的操作，步骤9为将步骤6获得的磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片进行组装。
134.性能检测结果
135.对上述实施例1-3以及对比例1-3制得的碳化硅制件进行下列检测。
136.通过维氏硬度测试法检测实施例1-2制得的碳化硅制件的硬度。通过高压下的四探针法检测制得的碳化硅制件的电阻率。通过阿基米德法检测制得的碳化硅制件的密度。通过辉光放电质谱(gdms)检测制得的碳化硅制件的纯度。并根据实施例1的碳化硅制件的形状计算对比例1-3相应的机加消减量。
137.检测结果如表1所示。
138.表1实施例1-3和对比例1-3的检测结果
[0139][0140]
由表1可知，实施例1制得的碳化硅制件的硬度为3385hv，实施例1制得的碳化硅制件的硬度为3405hv，硬度均较高，可满足多种应用场景的需求。由上述检测结果可知，本技术提供的成型工艺制得的碳化硅制件硬度较高，能够满足多种应用场景的需求。
[0141]
对比例1制得的碳化硅制件的电阻率仅为134ω
·
cm，而利用本技术的成型工艺制得的高纯高电阻率碳化硅制件具有高电阻率(＞4.32
×
106ω
·
cm)。由此可知，本技术的高纯高电阻率碳化硅制件制备的成型思路避免了以对比例1为代表的传统模压成型工艺制备的碳化硅制件低电阻率的问题，极大程度上降低了制备工艺造成的低电阻率对碳化硅制件电学条件的束缚。
[0142]
本技术的“化整为零、化零为整”的高纯碳化硅制件制备的成型思路，避免了较复杂制件制备的粉末冶金工艺，从而避免了大量助剂的添加问题。与对比例1(纯度94.5％)、对比例2(纯度95％)相比，本技术的成型工艺大大提升了碳化硅制件的纯度。利用本技术的成型工艺制得的碳化硅制件具有高纯度(＞99.98％)、高密度(＞3.204g/cm3)的优异性能。
[0143]
另外，对于本技术制得的高纯高电阻率碳化硅较复杂结构制件，在组装烧结成型后只需要经过约0.4-1％的机加削减量即可成件。避免了以对比例3为主的物理气相传输制备的柱/饼状高纯碳化硅材料的大量切削加工问题(机加削减量68％)，从而极大程度上避免了高纯碳化硅高硬度难以加工的难题，极大的提高了良品率，适宜工业批量生产。
[0144]
本技术制得的高纯高电阻率碳化硅制件具有高硬度(3405hv)、高电阻率(＞4.32
×
106ω
·
cm)等诸多优势，并具备碳化硅材料的耐磨、耐腐蚀、耐高温等本征特性。
[0145]
通过实施例1与对比例4的对比可知，步骤7制备高纯碳层和步骤8制备高纯硅层的操作可极大程度上提高层间的界面结合力，使得制件机械性能更高，达到实际应用要求。
[0146]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：使用3d建模软件建立碳化硅制件数字模型；步骤2：在垂直于所述碳化硅制件数字模型z轴方向上对所述碳化硅制件数字模型进行若干次切片操作，并在切片的垂直方向进行投影，获得切片的二维图形；步骤3：根据所述切片的二维图形制备相应形状的用于化学气相沉积的基底模具；步骤4：在所述基底模具上化学气相沉积高纯度碳化硅薄片，并控制沉积获得的高纯度碳化硅薄片的沉积厚度与所述切片的厚度一致；步骤5：取出步骤4沉积获得的高纯度碳化硅薄片及基底模具，并放置于马弗炉均匀加热，直至基底模具完全氧化去除，获得高纯度碳化硅薄片；步骤6：对步骤5获得的高纯度碳化硅薄片进行双面磨抛加工，去除碳化硅表面数十微米的氧化层，获得磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片；步骤7：在所述磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片的一单面上制备高纯碳层；步骤8：在步骤7获得的高纯度碳化硅薄片的另一单面上制备高纯硅层；步骤9：将步骤8获得的高纯度碳化硅薄片按照所述碳化硅制件数字模型的切片顺序进行组装，获得碳化硅组装件，并保证所有接触区两面分别是高纯硅层、高纯碳层；步骤10：将所述碳化硅组装件放置于气氛炉中烧结使高纯度碳化硅薄片粘结成型，获得成型制件；步骤11：将所述成型制件做精加工，得到高纯高电阻率碳化硅制件。2.根据权利要求1所述的高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺，其特征在于，所述步骤1中，将数字模型z轴方向尺寸乘1.02-1.05系数。3.根据权利要求1所述的高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺，其特征在于，所述步骤2中，根据所述碳化硅制件数字模型的实际尺寸、实际特征选择切片厚度与切片高度；优选地，选择所述碳化硅制件数字模型的横向拓展处为切片边缘位置；优选地，所述切片厚度为0.5-5mm。4.根据权利要求1所述的高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺，其特征在于，所述步骤3中，将所述碳化硅制件数字模型x、y轴方向尺寸乘1.05-1.1系数；优选地，所述基底模具为高纯石墨模具；优选地，所述基底模具的厚度为1-2mm。5.根据权利要求1所述的高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺，其特征在于，所述步骤4中，通过控制所述化学气相沉积的沉积时长、气体压强，使得沉积获得的高纯度碳化硅薄片的沉积厚度与步骤2所述切片的厚度一致；优选地，所述高纯度碳化硅的沉积厚度为0.5-5mm；优选地，所述化学气相沉积的反应气体采用ch3sicl3、c7h
20
si2、sih4、sih3cl、sih2cl2、sihcl3、sicl4、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷中的一种或几种；优选地，所述反应气体为高纯度ch3sicl3；优选地，所述化学气相沉积的载气成分为高纯h2；优选地，所述化学气相沉积的载气与反应气体气流量比为6-10；优选地，所述化学气相沉积的反应温度为1000-1350℃；优选地，所述化学气相沉积的反应升降温速度为1-5℃/min；
优选地，所述化学气相沉积的分散气体成分为高纯ar气；优选地，所述分散气体占比为整体的40-90%；优选地，所述化学气相沉积的腔室内气压为100-1500pa；优选地，所述马弗炉内的炉内温度在700-800℃。6.根据权利要求1所述的高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺，其特征在于，所述步骤6中，所述磨抛加工的工艺为常规高纯材料磨抛工艺；优选地，所述磨抛加工后的高纯度碳化硅薄片的表面粗糙度为ra0.25-1.6。7.根据权利要求1所述的高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺，其特征在于，所述高纯碳层的制备方式包括但不限于高分子前驱体薄膜热解、低压化学气相沉积、真空蒸镀；优选地，所述高纯碳层的厚度为0.6-5μm；优选地，所述高纯碳层的表面粗糙度大于ra 0.4；优选地，对于非接触面区域的表面采取遮盖措施避免沉积；优选地，所述高纯硅层的制备方式包括但不限于等离子体增强化学气相沉积、低压化学气相沉积、真空蒸镀等薄膜制备方式；优选地，所述高纯硅层的厚度为0.5-5μm；优选地，所述高纯硅层为非晶相或细晶相；优选地，对于非接触面区域的表面采取遮盖措施避免沉积。8.根据权利要求1所述的高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺，其特征在于，所述步骤9中，组装时每一接触面的高纯硅层置于高纯碳层之上；优选地，组装后在切片垂直方向上施加持续压力；优选地，所述施加的压力为0.05-3mpa。9.根据权利要求8所述的高纯高电阻率碳化硅制件的成型工艺，其特征在于，所述步骤10中，所述烧结的工艺为：采用ar气保护下的两段式烧结曲线，分别为中温反应烧结与高温扩散烧结；优选地，所述烧结的烧结曲线为：以1-5℃/min的升温速度升温至1450-1600℃并保温1-3h，以0.5-3℃的升温速度升温至2100-2200℃并保温0.5-3h，并以3-10℃/min的降温速度冷却至室温；优选地，所述步骤11中，所述精加工是对切片烧结过渡处的棱角进行圆角化处理。10.一种利用权利要求1-9中任一项所述的成型工艺制得的高纯高电阻率碳化硅制件。

技术总结
本申请涉及陶瓷材料的技术领域，具体公开了一种高纯高电阻率碳化硅制件及其成型工艺。该工艺如下：将数字模型切片，并将切片形状分别化学气相沉积高纯高电阻率碳化硅薄片，再将沉积后的高纯高电阻率碳化硅薄片组装烧结得到目标制件。通过控制切片参数，将制件整体“化整为零”，分别沉积，在精确控制成型的基础上，极大地提升了化学气相沉积的制备效率。利用本申请的成型工艺制得的高纯高电阻率碳化硅制件具有高纯度（＞99.98%）、高密度（＞3.204g/cm3）、机加削减量低（0.4-1%）、高硬度（3405HV）、高电阻率（＞4.32


技术研发人员：李靖晗 张慧 王力 李华民 包根平
受保护的技术使用者：北京亦盛精密半导体有限公司
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/9/26