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碳化硅陶瓷的现今应用及其在5G时代应用前景

关键词 碳化硅 , 碳化硅陶瓷 , 5G|2019-06-28 14:41:57|来源 CERADIR先进陶瓷在线
摘要 一.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...

一.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。

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图1. 材料特定应用方向的根源

二.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,碳化硅陶瓷材料结构是Si/C双原子构成四面体;Si/C致其密度较小;相对其它陶瓷材料,碳化硅更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]。

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图2. 碳化硅四面体结构

三.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(图3)。

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图3. 碳化硅陶瓷材料现今应用方向

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。

表1黑色碳化硅的牌号及其应用

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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:现代化防弹材料追求防弹效果好、材质轻和价格低廉三位一体;而碳化硅的高硬度、密度相对较小及价格低廉的特点,使得其在防弹装甲上大有作为。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。

四.5G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(图4a)。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(图4b),在这里对5G时代下碳化硅陶瓷可能应用浅谈一二。

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图4-a. 5G移动通信进化史. 4-b. 推动碳化硅陶瓷材料在5G时代可能发展的三架马车.

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特性[6],加上它本身密度小和机械强度高,故有望作为5G智能手机内部小型轻量化的吸波器件。

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。而碳化硅陶瓷导热系数高,热膨胀系数小并且和芯片热膨胀系数匹配度极高;此外,如果5G时代,芯片材料使用的是最新一代的SiC半导体,热膨胀系数匹配度就趋于完美了。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。

参考文献

[1]王伟礼.氮化硼纳米管制备及其对氧化铝和氮化硅陶瓷的强韧化作用[D].山东大学,2012.

[2]柴威,邓乾发,王羽寅等.碳化硅陶瓷的应用现状[J].轻工机械,2012,(30)4.

[3]李缨,黄凤萍,梁振海.碳化硅陶瓷的性能与应用[J].陶瓷,2007,(5).

[4]吴国荣.碳化硅陶瓷高效磨削钻孔及其质量控制[D].江苏科技大学,2017.

[5]新材料在线.一张图看懂5G时代10大关键材料及市场.

[6]孟庆聪.碳化硅陶瓷复合材料的制备及其吸波性能研究[D].天津大学,2015.

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