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碳化硅理化性能及应用速览

发布日期:2021/10/21 13:12:01

今年发布的“‘十四五’规划和2035年远景目标纲要”提出,我国将加速推动以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体新材料新技术产业化进程,催生一批高速成长的新材料企业。

碳化硅材料由于其较高的弹性模量、适中的密度、较小的热膨胀系数、较高的导热系数、耐热冲击性、高的比刚度、高度的尺寸稳定性及热性能与机械性能的各向同性等一系列优良的物理性质,受到越来越多的重视,普遍用于陶瓷球轴承、阀门、半导体材料、陀螺、测量仪、航空航天等领域,已经成为一种在很多工业领域不可替代的材料。

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碳化硅结构特点及理化性能

SiC是一种天然超晶格,又是一种典型的同质多型体。由于Si与C双原子层堆积序列的差异会导致不同的晶体结构,因此SiC有着超过200种(目前已知)同质多型族,最被人熟知的便是立方密排的3C-SiC和六方密排的2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC。碳化硅具有优良的物理和化学性能。

1、力学性能

高硬度(克氏硬度为3000kg/mm2),可以切割红宝石;高耐磨性,仅次于金刚石。

2、热学性能

热导率超过金属铜,是Si的3倍,是GaAs的8~10倍,散热性能好,对于大功率器件非常重要。SiC的热稳定性较高,在常压下不可能熔化SiC。

3、化学性能

耐腐蚀性非常强,室温下几乎可以抵抗任何已知的腐蚀剂。SiC表面易氧化生成SiO2薄层,能防止其进一步氧化,在高于1700℃时,这层氧化膜熔化并迅速发生氧化反应。

4、电学性能

4H-SiC和6H-SiC带隙约是Si的3倍,是GaAs的2倍;其击穿电场强度高于Si一个数量级,饱和电子漂移速度是Si的2.5倍。4H-SiC的带隙比6H-SiC更宽。下表为几种半导体材料特性比较。

碳化硅材料应用简述

由于其具有高击穿场强、高键能、高饱和电子漂移速率,导热导电性能好等特点,被广泛应用于航空航天、国防、有色冶金、电催化等各个领域。碳化硅在众多领域的应用大多是它的五类产品的应用体现,即先进陶瓷、耐火材料、磨料磨具、半导体器件及冶金原料。

在电动汽车领域,碳化硅可作为电动汽车中充电模块和电动模块中的重要材料,具有简化供电网络系统、提高供电频率、降低器件升温、缩小器件体积,提高效率等优良作用。

在新型显示器方面,碳化硅单晶可用于LED器件的制作,具有如高亮度,高寿命,高显色指数,低能耗等优点。并且相比于蓝宝石基LED,碳化硅LED设备可使成本降低一半左右,导热能力大大提高,因此对于节能减排具有重大意义。

在电催化方面,碳化硅材料可代替铂作为燃料电池的新型催化剂,由于其稳定性高所以可用作高稳定的催化剂,但同时碳化硅在可控性可操作性方面的研究有待进一步加强。

在航空航天、国防领域,碳化硅是制备航空发动机的重要材料。推重比一直是制约航空发动机发展的重要瓶颈,若使推重比达到12及以上,那么必须加入非金属材料,CMC-SiC具有耐高温、高韧性、不易腐蚀、比重小、在高温下强度高、抗震性好等优点。CMC-SiC复合材料由于其良好的抗氧化、耐高温和良好的吸收雷达波的特性,被应用于发动机的喷管部件;在发动机燃烧室中采用CMC-SiC对于提高材料耐高温性能和减轻结构质量具有重要意义。此外,碳化硅还是一种非常重要的防弹材料,在防弹制品及装甲方面应用广泛。

有色冶金方面,在传统冶金领域由于其在高温下力学性能好、抗腐蚀性强可作为耐火材料应用于蒸馏炉、精馏炉、电解槽等冶金设备的衬里材料;同时由于其耐磨性能好、硬度高可作为耐磨材料应用于装置喷嘴等结构。在新应用方面,由于湿法冶金应用领域的不断扩展,高温、高酸碱性环境成为了新的技术难题,利用碳化硅材料高耐磨性防腐蚀性强的特点加以特定的涂层,可应用于搅拌器主轴及桨叶中,和管道中的热交换组件。

在磨削加工方面,碳化硅有黑色碳化硅和绿色碳化硅两个常用的基本品种,都属α-SiC。黑色碳化硅含SiC约95%(w),其韧性高于绿色碳化硅,大多用于加工抗张强度低的材料,如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。绿色碳化硅含SiC约97%(w)以上,自锐性好,大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃,也用于研磨汽缸套和精磨高速钢刀具。此外还有立方碳化硅,它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体,用以制作的磨具适于轴承的超精加工。

同时利用其耐腐蚀性耐热性能好,碳化硅材料也被应用于机械密封。总之,近年来碳化硅市场越来越火,充分说明了碳化硅的独特之处。为进一步探讨碳化硅未来发展方向,加强碳化硅技术交流,提升碳化硅精加工水平,促进碳化硅产业高质量发展,中国粉体网旗下粉体公开课平台将于2021年10月29日举办“2021碳化硅产业高质量发展网络沙龙会议”,为从业人员提供一个足不出户便能聆听精彩报告的学习交流平台。届时,来自河南磨岳工业设计有限公司的毋水鑫总经理将带来题为《碳化硅基础常识及市场发展分析》的报告,毋总将在报告中介绍、分析碳化硅基本性能,并对碳化硅在磨料、耐火材料、碳化硅陶瓷制品、碳化硅晶圆等应用方向进行浅析交流,同时对今年碳化硅市场波动及未来碳化硅行业发展进行分析、交流。

参考来源:

[1]王家鹏等.碳化硅材料研究现状与应用展望

[2]郭静霓等.碳化硅晶体结构、制备及应用

[3]都兴红等.碳化硅的应用现状

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