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碳化硅陶瓷的现今应用及其在5G时代应用前景
- 2020-02-15-

  1.碳化硅陶瓷材料结构、性能及应用关系

  材料的结构主要有四个层次,依次为:1)原子结构;2)原子结合键;3)原子排列方式;4)相与组织。从材料理论观点来看,材料结构决定材料性能;而材料的性能决定了材料的应用方向(图1)。因而,材料结构上的根本性差异,使得陶瓷材料相对于有机高分子及金属等固体材料,在应用上有所侧重。

  2.碳化硅(SiC)陶瓷结构及性能

  陶瓷材料是由很强方向性和结合性共价键和离子键联接构成的,从而其表现出了高熔点、高硬度、良好化学稳定性及耐磨性等特点[1]。碳化硅陶瓷作为陶瓷材料其中之一,其Si-C共价键率达到88%[2],展现了一般陶瓷材料优良性能。此外,也因本质结构原因,展现了特异优良性能。如图2所示,SiC陶瓷结构为Si/C双原子四面体,Si/C使其密度更小;与其他陶瓷材料相比,SiC是一种轻质陶瓷材料。而由Si/C两种原子构成碳化硅也具有低热膨胀系数、高导热系数和耐热震的性能特点[3]。

  3.碳化硅陶瓷的应用

  得益于碳化硅陶瓷一系列优良性能,使得碳化硅陶瓷在现代很多工业领域中得到了应用[4],主要集中在耐火材料、耐磨高温件、磨料模具和防弹装甲等四个方面。

  1)耐火材料:相对于磨料,碳化硅陶瓷在国外更多作为耐火材料;而我国也逐步扩大了碳化硅陶瓷在耐火材料方面上的应用。耐火材料碳化硅一般有三种牌号,各自应用方向如表1所示。

  2)耐磨高温件:由于碳化硅陶瓷具有高硬度、耐酸碱化学腐蚀、良好的耐磨损性和导热性,使得其常常被用于耐磨高温件,如:高温热交换器和轧钢机上的托辊。

  3)磨料模具:碳化硅是除了金刚石和碳化硼后,硬度最大的材料;因此,在机械加工行业中,各种磨削用的砂布、砂轮、砂纸及各类磨料很多都是由碳化硅陶瓷材料制备而成的。

  (4)防弹装甲:现代防弹材料追求防弹效果、轻材料和低三位一体,而碳化硅硬度高、密度小、价格低等特点,使其在防弹装甲中具有较大的应用前景。在坦克、船舰、战斗机、防弹头盔和防弹衣领域,都有碳化硅陶瓷的一席之地。

  4.5G时代下的碳化硅陶瓷

  好比人类进化伴随智力发展和工具使用的升级,1G到5G的移动通信革新大体是软件和硬件的升级。作为学材料出身的笔者,更关注的是与5G发展相匹配相适应地关键材料(硬件)。5G时代的核心绕不过半导体芯片;而SiC作为最新的第三代半导体材料,助力于5G移动通信发展。5G时代的关键材料中,陶瓷材料也大有所作为[5];那么,当SiC作为陶瓷材料时,能否在5G时代分一杯羹呢?结合5G时代关键材料特点及碳化硅陶瓷性能,在这里对5G时代下碳化硅陶瓷可能应用浅谈一二。

  1)手机电磁屏蔽材料:5G时代智能手机的内部芯片尺寸和间距越来越小,可以说集成化程度和信号传输密度高;这就导致手机内部的电磁干扰越发严重,故手机电磁屏蔽材料是5G时代智能手机不可或缺的组成部分。据报道,碳化硅陶瓷复合材料具有吸波波[6]的特点,其密度低,机械强度高,可望成为5G智能手机中的小型轻型微波吸收器。

  2)手机导热散热材料:5G时代智能手机因功能越发强大,从而手机内部的芯片和模组集成化和密集化程度增大,从而导致半导体器件工作时产热急剧增加。而半导体器件失效关键原因之一就是热引发的,因此开发出配套良好的导热散热材料是十分迫切的。就导热散热陶瓷来讲,氧化铝陶瓷是目前最为成熟材料。不过,氧化铝陶瓷还是具有导热低与半导体芯片热膨胀系数相差大的缺点,容易累加内应力致芯片失效,故很难适应5G时代对导热散热材料的要求。但碳化硅陶瓷的热导率较高,热膨胀系数较小,热膨胀系数的匹配。故,SiC陶瓷在5G时代的手机导热散热材料领域有良好的前景。