SiC因具有寬帶隙、高臨界擊穿電場(chǎng)、高電子飽和漂移速度等優(yōu)異特性，在半導(dǎo)體電子功率器件和陶瓷材料等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是第三代半導(dǎo)體材料的主要代表。但值得注意的是，SiC材料還具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，其理論導(dǎo)熱率可以達(dá)到490 W/(m?K)，在非導(dǎo)電材料中已屬佼佼者。例如，在半導(dǎo)體器件的基底材料、高導(dǎo)熱陶瓷材料、半導(dǎo)體加工的加熱器和加熱板、核燃料的膠囊材料以及壓縮機(jī)泵的氣密封環(huán)中，都可以看到SiC導(dǎo)熱性能的應(yīng)用。

碳化硅散熱基板

SiC的晶體結(jié)構(gòu)

SiC晶體的主要結(jié)構(gòu)是由原子堆積成兩個(gè)主配位四面體SiC₄和CSi₄組成，這些四面體連接緊密堆積形成的結(jié)構(gòu)稱為多型體，一般在垂直方向堆積的方式不同形成不同的晶體結(jié)構(gòu)。典型的SiC多型體結(jié)構(gòu)有3C、4H、6H和15R-SiC等（其中數(shù)字表示多型體結(jié)構(gòu)的層數(shù)，字母表示晶格的對(duì)稱性，如C：立方體；H：六角形；R：菱面體）。

3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC 多型體的堆積結(jié)構(gòu)

（黑色為Si原子，白色為C原子）

SiC的物理性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)都是由多型體結(jié)構(gòu)決定，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)約有250種，其中兩種基本的多型體備受關(guān)注，一種是α-SiC，另一種是β-SiC，分別稱為六方和立方碳化硅。α-SiC晶體最常見的多型體有2H、4H、6H和15R，而3C是β-SiC晶體的基本多型體。

典型結(jié)構(gòu)3C-SiC與4H、6H-SiC 的性能參數(shù)

SiC材料導(dǎo)熱率的影響因素

SiC的導(dǎo)熱性主要受其晶體缺陷的影響，晶體缺陷包括SiC的二次相和晶體邊界等。SiC二次相的比例取決于燒結(jié)添加劑的數(shù)量和組成，晶體邊界的性質(zhì)取決于燒結(jié)助劑的組成成分及燒結(jié)條件。

因此SiC材料的導(dǎo)熱率主要取決于：

（1）燒結(jié)助劑的數(shù)量、化學(xué)計(jì)量比、化學(xué)性質(zhì)以及相關(guān)的晶界厚度和結(jié)晶度；

（2）晶粒尺寸；

（3）SiC 晶體中雜質(zhì)原子的類型和濃度；

（4）燒結(jié)氣氛；

（5）燒結(jié)后的熱處理等。

1.燒結(jié)方式的影響

（1）無壓燒結(jié)

無壓燒結(jié)工藝制備碳化硅陶瓷的工藝簡(jiǎn)單，成本適中，可制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。研究表明，當(dāng)提高燒結(jié)溫度時(shí)，SiC晶格氧含量和氣孔率降低，晶粒尺寸增大，熱導(dǎo)率也有一定的提升；但當(dāng)溫度升高到一定程度后，晶粒尺寸繼續(xù)增大，但氣孔率反而升高，氣孔的增多加劇了聲子散射，碳化硅陶瓷的熱導(dǎo)率會(huì)降低。

無壓燒結(jié)過程

（2）反應(yīng)燒結(jié)

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷的工藝具有燒結(jié)溫度低、周期短、成本低、可實(shí)現(xiàn)近凈尺寸成型等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅產(chǎn)品的制備。研究表明，成型壓力對(duì)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的熱導(dǎo)率影響最大，其次是碳添加量，碳化硅顆粒級(jí)配的影響最小。

（3）放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)工藝具有升溫速率快、加熱均勻等優(yōu)點(diǎn)。如果于保溫時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)促使添加劑在SiC晶粒之間形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致晶界熱阻增加，從而降低碳化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。

（4）熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)可以提高陶瓷制品的致密性和物化性能，并能夠?qū)崿F(xiàn)某些難燒結(jié)高溫陶瓷材料（B₄C、SiC、ZrB₂等）的致密化。采用退火工藝處理可以促進(jìn)添加劑與碳化硅表面的SiO₂發(fā)生反應(yīng)，減少SiC晶格中的氧含量，增加晶粒間的接觸，同時(shí)也可減少碳化硅內(nèi)部的晶體缺陷，因此退火工藝有助于 提高碳化硅陶瓷的導(dǎo)熱性能。另外，燒結(jié)氣氛對(duì)碳化硅室溫?zé)釋?dǎo)率也有一定影響，在氮?dú)鈿夥障虏捎脽釅簾Y(jié)，，氮原子會(huì)溶入到SiC晶粒間的玻璃相中，玻璃相中氮含量的增多必會(huì)造成氧含量的降低，并導(dǎo)致SiC晶格氧含量的降低，因此碳化硅陶瓷的熱導(dǎo)率提高。

綜合各類燒結(jié)工藝，燒結(jié)方式對(duì)碳化硅陶瓷熱導(dǎo)率的影響較小；適合的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間可以制備熱導(dǎo)率較高的碳化硅陶瓷；在燒結(jié)過程中采用氮?dú)獗Ｗo(hù)并對(duì)燒結(jié)后的陶瓷進(jìn)行退火處理，有助于提高碳化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。

2.不同添加劑摻雜對(duì)熱導(dǎo)率的影響

在制備具有高導(dǎo)熱率的陶瓷過程中，晶格中的氧會(huì)產(chǎn)生額外的硅空位，這些空位導(dǎo)致聲子散射，使熱導(dǎo)率降低，因此燒結(jié)添加劑的選擇需要考慮氧含量的影響。

為了制備具有高導(dǎo)熱率的陶瓷，改善SiC陶瓷導(dǎo)熱性的策略主要包括：

（1）采取從添加劑混合物中去除含氧化合物，以及選擇從SiC晶格中去除氧的燒結(jié)添加劑組合物；

（2）最大限度地減少氧化物燒結(jié)添加劑的用量，因?yàn)檠趸锘蛱佳趸锵嗟臒釋?dǎo)率明顯低于SiC晶格的熱導(dǎo)率。

對(duì)于幾種常用添加劑的作用總結(jié)如下：

SiC導(dǎo)熱材料的應(yīng)用前景

SiC陶瓷作為一種高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有優(yōu)異的熱性能，可廣泛應(yīng)用于耐高溫、加熱與熱交換工業(yè)領(lǐng)域。

1.高溫應(yīng)用領(lǐng)域

SiC 陶瓷具有的高溫強(qiáng)度高、耐高壓、高溫蠕動(dòng)性小等優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)各種高溫環(huán)境。

例如，SiC橫梁，適用于工業(yè)窯爐中的承重結(jié)構(gòu)架，它高溫力學(xué)性能優(yōu)異，抗高溫蠕變性好，長(zhǎng)期使用不彎曲變形；SiC輥棒用于高溫?zé)蓭В哂辛己玫膶?dǎo)熱性能，節(jié)約能源的同時(shí)不增加窯車重量；SiC冷風(fēng)管用于窯的降溫帶，耐急冷熱性能好，其使用壽命是不銹鋼管或氧化鋁等耐火材料的5~10倍。

SiC輥棒用于制備鋰電池材料

另外，由于SiC 陶瓷突出的高溫強(qiáng)度、優(yōu)良的抗高溫抗蠕變能力以及抗熱震性，使其成為火箭、飛機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和燃汽輪機(jī)中熱機(jī)部件的主要材料之一，通用汽車公司研制的AGT100車用陶瓷燃?xì)廨啓C(jī)就采用SiC陶瓷用作燃燒室環(huán)、燃燒室筒體、導(dǎo)向葉片和渦輪轉(zhuǎn)子等高溫部件。

燃?xì)廨啓C(jī)

2.加熱與熱交換工業(yè)領(lǐng)域

SiC陶瓷具有的低熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱率、抗熱沖擊性，可廣泛應(yīng)用于加熱與熱交換工業(yè)領(lǐng)域。

例如，SiC噴火嘴，其高熱導(dǎo)率結(jié)合其低熱膨脹，抗熱震性遠(yuǎn)優(yōu)于碳化鎢，耐高溫，耐極冷極熱，使用溫度大于1400℃，還可被加工成各種形狀，適用于明火直接加熱和輻射管間接加熱系統(tǒng)的工業(yè)窯爐中。在通常情況下，工業(yè)窯爐中釋放的氣體不僅溫度高而且有腐蝕性，這就要求熱交換器同時(shí)具有耐高溫、耐腐蝕和抗熱震性，可承受大的熱應(yīng)力。SiC換熱器具有超強(qiáng)的耐磨性和完全的不滲透性，允許介質(zhì)以高速通過，且熱交換率高，是一種理想的節(jié)能裝置。SiC輻射管，用于輻射管間接加熱系統(tǒng)，良好的熱傳導(dǎo)性能可以極大提高散熱效果，顯著節(jié)約能源，同時(shí)使得整個(gè)加熱系統(tǒng)的運(yùn)行壽命增加，有效降低維護(hù)成本。

碳化硅換熱器

總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，碳化硅陶瓷在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用需求量急劇增長(zhǎng)，而高熱導(dǎo)率是其應(yīng)用于半導(dǎo)體制造設(shè)備元器件的關(guān)鍵指標(biāo)，因此加強(qiáng)高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷的研究至關(guān)重要。目前對(duì)于高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷的研究還有很多不足，主要在以下幾點(diǎn)需要加強(qiáng)：一是加強(qiáng)碳化硅陶瓷粉體的制備工藝研究，高純、低氧碳化硅粉的制備是實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)率碳化硅陶瓷制備的基礎(chǔ)；二是加強(qiáng)燒結(jié)助劑的選擇及其相關(guān)理論研究；三是加強(qiáng)高端燒結(jié)裝備的研發(fā)，通過調(diào)控?zé)Y(jié)工藝得到合理的顯微結(jié)構(gòu)是獲得高熱導(dǎo)率碳化硅陶瓷的必備條件。

參考來源：

1.高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷的研究進(jìn)展，王曉波、王峰、賀智勇、張啟富（機(jī)械工程材料）；

2.碳化硅在導(dǎo)熱材料中的應(yīng)用及其最新研究進(jìn)展，江漢文、俞星星、薛名山、彭同華、洪珍、梁丹妮（南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版）；

3.高熱導(dǎo)率SiC陶瓷材料制備及應(yīng)用研究，李其松（山東大學(xué)）；

4.國(guó)內(nèi)外碳化硅陶瓷材料研究與應(yīng)用，李辰冉、謝志鵬、康國(guó)興（硅酸鹽通報(bào)）。

粉體圈小吉

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