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碳化硅家族应用知多少?
2019年04月17日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:1907
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前段时间看了个帖子既生硅,何生碳:可是,有种材料叫碳化硅···”,小编将为大家挖掘一下这种叫碳化硅的材料能干嘛?下文对其各个领域做简单整理。

一、应用于宝石材料

在宝石界,碳化硅也叫“莫桑石”,市面所见一般为人工合成莫桑石,天然的莫桑石极为稀有,稀少到仅出现在五万年前陨石坑内。

根据宝石界的资料:莫桑石的火彩是钻石的2.5倍;色散值是0.104(钻石是0.044);折射率2.654而钻石是2.417;钻石莫氏硬度是10,硬度之王非它莫属,而莫桑石也有9.2-9.8,也远高于其它宝石。所以,相同条件加工后的莫桑石与钻石石相比也毫不逊色,也有“莫桑钻”之称。

二、传统工业上的应用

在传统工业领域上,碳化硅主要是作为耐火材料,磨料磨具及冶金材料,下文将分别解析。

1、高级耐火材料:利用碳化硅材料的耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性,一方面可用于各种冶炼炉衬、高温炉窑构件、碳化硅板、衬板、支撑件、匣钵等。另一方面可用于有色金属冶炼工业的高温间接加热材料,如竖罐蒸馏炉、锌粉炉用弧型板、热电偶保护管等;用于制作耐磨、耐蚀、耐高温等高级碳化硅陶瓷材料;还可以制做火箭喷管、燃气轮机叶片等。此外,碳化硅也是高速公路、航空飞机跑道太阳能热水器等的理想材料之一。因此碳化硅也有一个俗名叫“耐火砂”,虽然很俗但是充分说明了它所具有的耐火特性。

图:“反应烧结碳化硅喷火嘴”是隧道窑、梭式窑、辊道窑的理想的喷火窑具,也广泛适用于明火直接加热和辐射管间接加热系统的工业窑炉中。

2、磨料磨具:主要因为碳化硅具有很高硬度,莫氏硬度为9.2-9.8,仅次于世界上最硬的金刚石(10级),因此俗称“金钢砂”,还具有很好的化学稳定性和一定的韧性,故可用于制作砂轮、砂纸、砂带、油石、磨块、磨头、研磨膏及光产品中单晶硅、多晶硅和电子行业的压电晶体等方面的研磨、抛光等。

图:碳化硅砂轮

3、冶金原料:碳化硅可用做炼钢的脱氧剂和铸铁组织的改良剂,可用做制造四氯化硅的原料,是硅树脂工业的主要原料。碳化硅脱氧剂是一种新型的强复合脱氧剂,取代了传统的硅粉碳粉进行脱氧,和原工艺相比各项理化性能更加稳定,脱氧效果好,使脱氧时间缩短,节约能源,提高炼钢效率,提高钢的质量,降低原辅材料消耗,减少环境污染,改善劳动条件,提高电炉的综合经济效益都具有重要价值。

三、碳化硅光学反射镜材料

利用陶瓷对声、光、电、磁、热等物理性能所具有的特殊功能而制造的陶瓷材料称为功能陶瓷。功能陶瓷种类繁多,用途各异,碳化硅在功能陶瓷领域主要是作为反射镜材料。SiC陶瓷具有高比刚度、较好的热和化学稳定性、较低的热变形系数且耐空间粒子辐照,通过特殊的制作工艺,可以获得轻量化结构的反射镜镜体。

图:直径4米、重达1.6吨单体碳化硅反射镜

四、作为半导体材料

第三代半导体是支撑国防军备、5G移动通信、能源互联网、新能源汽车、轨道交通等产业创新发展和转型升级的重点核心材料和电子元器件,因其在国防安全、智能制造、产业升级、节能减排等国家重大战略需求方面的重要作用,正成为世界各国竞争的技术制高点。

SiC作为第三代半导体材料的典型代表,也是目前晶体生产技术和器件制造水平最成熟,应用最广泛的宽禁带半导体材料之一,目前在已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。是高温、高频、抗辐射、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。由于碳化硅功率器件可显著降低电子设备的能耗,因此碳化硅器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源器件”。

1、半导体照明领域

碳化硅作为LED器件衬底是其目前应用最为成熟的领域,市场上SiC晶片大比例被用于制造高亮度LED衬底材料。采用碳化硅作为衬底的LED期间亮度更高、能耗更低寿命更长、单位芯片面积更小,在大功率LED方面具有非常大的优势。

 2008年北京奥运会期间建造的水立方场馆照明即采用了496000颗碳化硅基大功率LED

2、新能源汽车及不间断电源等电力电子领域

新能源汽车产业要求逆变器(即马达驱动)的半导体功率模块,在处理高强度电流时,具有远超出普通工业用途逆变器的可靠性;在大电流功率模块中,具有更好的散热性,高效、快速、耐高温、可靠性高的半导体碳化硅模块完全符合新能源汽车要求。半导体碳化硅功率模块小型化的特点可大幅削减新能源汽车的电力损失,使其在200℃高温下仍能正常工作。更轻、更小的设备重量减少,减少汽车自身重量带来的能耗。

半导体碳化硅材料除了在新能源汽车节能中占有重要地位外,在高铁、太阳能光伏、风能、电力输送、UPS不间断电源等电力电子领域均起到了卓越的节能环保作用。

半导体材料及其应用示意

3、让电子设备体积更小

将笔记本电脑适配器的体积减少80%,将一个变电站的体积缩小至一个手提箱的大小。这也是碳化硅半导体令人期待的一个地方。碳化硅技术的发展有望将消费类电子产品的体积,如将笔记本电脑适配器的体积减少80%;也可以将一个变电站的体积缩小至一个手提箱的大小规格。

五、补强增韧剂

除了如上应用,碳化硅晶须或碳化硅纤维作为一种优良的补强增韧剂,与金属基或陶瓷基材料复合材料也已广泛运用到机械、化工、国防、能源、环保等领域。

作者:阿渺


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