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【原創(chuàng)】碳化硅理化性能及應(yīng)用速覽


來源:中國粉體網(wǎng)   山川

[導(dǎo)讀]  今年發(fā)布的“‘十四五’規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要”提出,我國將加速推動(dòng)以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體新材料新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

中國粉體網(wǎng)訊  今年發(fā)布的“‘十四五’規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要”提出,我國將加速推動(dòng)以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體新材料新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,催生一批高速成長的新材料企業(yè)。

 

碳化硅材料由于其較高的彈性模量、適中的密度、較小的熱膨脹系數(shù)、較高的導(dǎo)熱系數(shù)、耐熱沖擊性、高的比剛度、高度的尺寸穩(wěn)定性及熱性能與機(jī)械性能的各向同性等一系列優(yōu)良的物理性質(zhì),受到越來越多的重視,普遍用于陶瓷球軸承、閥門、半導(dǎo)體材料、陀螺、測(cè)量儀、航空航天等領(lǐng)域,已經(jīng)成為一種在很多工業(yè)領(lǐng)域不可替代的材料。


碳化硅微粉


碳化硅結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及理化性能


SiC是一種天然超晶格,又是一種典型的同質(zhì)多型體。由于Si與C雙原子層堆積序列的差異會(huì)導(dǎo)致不同的晶體結(jié)構(gòu),因此SiC有著超過200種(目前已知)同質(zhì)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。碳化硅具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能。


1、力學(xué)性能


高硬度(克氏硬度為3000kg/mm2),可以切割紅寶石;高耐磨性,僅次于金剛石。


2、熱學(xué)性能


熱導(dǎo)率超過金屬銅,是Si的3倍,是GaAs的8~10倍,散熱性能好,對(duì)于大功率器件非常重要。SiC的熱穩(wěn)定性較高,在常壓下不可能熔化SiC。


3、化學(xué)性能


耐腐蝕性非常強(qiáng),室溫下幾乎可以抵抗任何已知的腐蝕劑。SiC表面易氧化生成SiO2薄層,能防止其進(jìn)一步氧化,在高于1700℃時(shí),這層氧化膜熔化并迅速發(fā)生氧化反應(yīng)。


4、電學(xué)性能


4H-SiC和6H-SiC帶隙約是Si的3倍,是GaAs的2倍;其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高于Si一個(gè)數(shù)量級(jí),飽和電子漂移速度是Si的2.5倍。4H-SiC的帶隙比6H-SiC更寬。下表為幾種半導(dǎo)體材料特性比較。



碳化硅材料應(yīng)用簡(jiǎn)述


由于其具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高鍵能、高飽和電子漂移速率,導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、有色冶金、電催化等各個(gè)領(lǐng)域。碳化硅在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用大多是它的五類產(chǎn)品的應(yīng)用體現(xiàn),即先進(jìn)陶瓷、耐火材料、磨料磨具、半導(dǎo)體器件及冶金原料。


在電動(dòng)汽車領(lǐng)域,碳化硅可作為電動(dòng)汽車中充電模塊和電動(dòng)模塊中的重要材料,具有簡(jiǎn)化供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、提高供電頻率、降低器件升溫、縮小器件體積,提高效率等優(yōu)良作用。


在新型顯示器方面,碳化硅單晶可用于LED器件的制作,具有如高亮度,高壽命,高顯色指數(shù),低能耗等優(yōu)點(diǎn)。并且相比于藍(lán)寶石基LED,碳化硅LED設(shè)備可使成本降低一半左右,導(dǎo)熱能力大大提高,因此對(duì)于節(jié)能減排具有重大意義。


在電催化方面,碳化硅材料可代替鉑作為燃料電池的新型催化劑,由于其穩(wěn)定性高所以可用作高穩(wěn)定的催化劑,但同時(shí)碳化硅在可控性可操作性方面的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。


在航空航天、國防領(lǐng)域,碳化硅是制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要材料。推重比一直是制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要瓶頸,若使推重比達(dá)到12及以上,那么必須加入非金屬材料,CMC-SiC具有耐高溫、高韌性、不易腐蝕、比重小、在高溫下強(qiáng)度高、抗震性好等優(yōu)點(diǎn)。CMC-SiC復(fù)合材料由于其良好的抗氧化、耐高溫和良好的吸收雷達(dá)波的特性,被應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管部件;在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中采用CMC-SiC對(duì)于提高材料耐高溫性能和減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有重要意義。此外,碳化硅還是一種非常重要的防彈材料,在防彈制品及裝甲方面應(yīng)用廣泛。


防彈片


有色冶金方面,在傳統(tǒng)冶金領(lǐng)域由于其在高溫下力學(xué)性能好、抗腐蝕性強(qiáng)可作為耐火材料應(yīng)用于蒸餾爐、精餾爐、電解槽等冶金設(shè)備的襯里材料;同時(shí)由于其耐磨性能好、硬度高可作為耐磨材料應(yīng)用于裝置噴嘴等結(jié)構(gòu)。在新應(yīng)用方面,由于濕法冶金應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,高溫、高酸堿性環(huán)境成為了新的技術(shù)難題,利用碳化硅材料高耐磨性防腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)加以特定的涂層,可應(yīng)用于攪拌器主軸及槳葉中,和管道中的熱交換組件。


在磨削加工方面,碳化硅有黑色碳化硅和綠色碳化硅兩個(gè)常用的基本品種,都屬α-SiC。黑色碳化硅含SiC約95%(w),其韌性高于綠色碳化硅,大多用于加工抗張強(qiáng)度低的材料,如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等。綠色碳化硅含SiC約97%(w)以上,自銳性好,大多用于加工硬質(zhì)合金、鈦合金和光學(xué)玻璃,也用于研磨汽缸套和精磨高速鋼刀具。此外還有立方碳化硅,它是以特殊工藝制取的黃綠色晶體,用以制作的磨具適于軸承的超精加工。


碳化硅磨具,來源:山東金蒙新材料股份有限公司


碳化硅密封環(huán)


同時(shí)利用其耐腐蝕性耐熱性能好,碳化硅材料也被應(yīng)用于機(jī)械密封?傊,近年來碳化硅市場(chǎng)越來越火,充分說明了碳化硅的獨(dú)特之處。為進(jìn)一步探討碳化硅未來發(fā)展方向,加強(qiáng)碳化硅技術(shù)交流,提升碳化硅精加工水平,促進(jìn)碳化硅產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,中國粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺(tái)將于2021年10月29日舉辦“2021碳化硅產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展網(wǎng)絡(luò)沙龍會(huì)議”,為從業(yè)人員提供一個(gè)足不出戶便能聆聽精彩報(bào)告的學(xué)習(xí)交流平臺(tái)。屆時(shí),來自河南磨岳工業(yè)設(shè)計(jì)有限公司的毋水鑫總經(jīng)理將帶來題為《碳化硅基礎(chǔ)常識(shí)及市場(chǎng)發(fā)展分析》的報(bào)告,毋總將在報(bào)告中介紹、分析碳化硅基本性能,并對(duì)碳化硅在磨料、耐火材料、碳化硅陶瓷制品、碳化硅晶圓等應(yīng)用方向進(jìn)行淺析交流,同時(shí)對(duì)今年碳化硅市場(chǎng)波動(dòng)及未來碳化硅行業(yè)發(fā)展進(jìn)行分析、交流。


專家介紹:


毋水鑫,畢業(yè)于河南工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,河南工業(yè)大學(xué)磨料磨具研修班負(fù)責(zé)人,校企合作負(fù)責(zé)人;粉體技術(shù)專家,對(duì)磨料行業(yè)的粉體生產(chǎn)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化等有深刻的理解。對(duì)碳化硅行業(yè)較為熟悉,服務(wù)過很多行業(yè)上下游企業(yè),參與過國內(nèi)很多粉體企業(yè)的落地案例。



參考來源:

[1]王家鵬等.碳化硅材料研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望

[2]郭靜霓等.碳化硅晶體結(jié)構(gòu)、制備及應(yīng)用

[3]都興紅等.碳化硅的應(yīng)用現(xiàn)狀


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)

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作者:山川

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