探索碳化硅基板的应用：一种先进的陶瓷材料

介绍：

碳化硅陶瓷是制造业中掀起波澜的先进陶瓷材料之一。这一发现令科学界为之振奋。这种先进的陶瓷材料满足了工业界，尤其是电力电子领域的诸多需求。

碳化硅的起源

如今被称为碳化硅的先进半导体，是由美国科学家艾德·艾奇逊于1891年偶然发现的。他的目标是找到钻石的替代品。他的意图很明确，但实验结果却产生了碳化硅，这让他声名鹊起，因为此前从未有人做出过这样的发现。

1893年，莫桑·亨利（Moissan Henri）在一颗陨石中发现了碳化硅，并将其作为一种天然矿物。这催生了它的另一个名字——莫桑石（Moissanite）。由于这一发现以及其成分与星尘的相似性，碳化硅被命名为“来自天空的宝石”。

图1：一块陨石

碳化硅的商业化制备

碳化硅陶瓷可以商业化批量合成生产。目前已知的碳化硅合成生产方法有两种：一种是安东尼·莱利（Anthony Lely）于1955年首创的莱利法（Lely method），也称为晶体生长技术；另一种是化学气相法。

图2：碳化硅的共价键

1. Lely方法： 这是用于半导体工业的碳化硅晶体的商业化生产工艺。在此过程中，碳化硅粉末在坩埚中升华，并在氩气的保护下在极高的温度下加热。之后，晶体附着在坩埚中部温度较低的棒上。

2. 化学气相法： 这是冶金和采掘业用来生产高纯度产品的一种工艺8。化学气相法涉及在受控环境中分解硅和碳原子。该方法产生的不完全分解会产生碳化硅衬底，用于半导体工业7。

碳化硅作为半导体陶瓷的多维度

碳化硅是一种物质，也称为碳化硅。它的其他名称包括碳化硅半导体、碳化硅 (SiC)、陶瓷碳化硅 (SiC) 和碳化硅基板。在讨论这种先进陶瓷的各种特性时，我们经常会互换使用这些名称。

然而，无论你选择如何称呼这种物质，其基本特性始终不变。我们将进一步探讨碳化硅陶瓷的化学、物理和机械特性（性能）。

碳化硅（Sic）的化学性质： 碳化硅是一种由硅和碳离子以强键结合而成的化合物。这种先进陶瓷所具有的强键使其具有化学惰性。其化学结构的带隙很大，因此使其成为一种高效的半导体陶瓷（碳化硅陶瓷）。

换句话说，碳化硅不易被其他化学物质（尤其是酸和碱）分解。硅原子和碳原子的四面体键合形成了碳化硅衬底1。因此，碳化硅具有所需的内部成分，非常适合制造业，尤其是半导体行业。

它还具有很强的抗盐碱性能，不溶于水。但它可以溶解在铁水以及某些形式的氢氟酸中。

从电子学角度来看，陶瓷碳化硅的本征载流子密度非常低，这增强了其对高温操作的适应性。

物理性质： 这些很容易反映在物质的颜色、形状和纹理上。碳化硅是一种宝石，其丰富的色泽也体现了这一点。与钻石一样，碳化硅因其光泽而备受珍视，其颜色等级从4到7。同样值得注意的是，其略带绿色的光泽很容易让人误认为是钻石。

碳化硅材料因其热特性（碳化硅热膨胀系数 (CTE) 定义其热系数）而被称为 SiC 材料，碳化硅材料以导电性高而闻名。它的沸点和熔点都很高。

碳化硅的机械性能： 碳化硅是一种非常坚硬的材料。事实上，它是最坚硬的物质。碳化硅是公认的坚硬材料，硬度仅次于金刚石。碳化硅中硅原子和碳原子键的共价性使其非常坚硬。碳化硅陶瓷被认为具有极强的耐腐蚀性和抗冲击性。

碳化硅陶瓷重量大，吸收能力强。

碳化硅和多型性： 碳化硅陶瓷通过一种被称为多型性2的过程结晶成不同的结构，从而产生了先进陶瓷的多型体。碳化硅多型体的形成归因于碳和硅5的表面特性差异。

碳化硅陶瓷的多型体在迁移率、带隙和电子特性方面具有显著特征。它们在晶体堆叠方面也存在差异。碳化硅的晶体特性使其成为一种珍贵的宝石——碳化硅。

碳化硅陶瓷多型体的流动性在碳化硅用于声学材料开发的应用上得到体现。

图3：SiC陶瓷晶体

sic陶瓷（碳化硅）的用途：

1. 碳化硅陶瓷被认为是用于生产防弹装备的最佳先进陶瓷材料之一。这些装备包括防弹背心等身体防护服。大多数防弹背心都使用先进的陶瓷材料作为服装的表层。这是由于半导体能够偏转子弹等高速射弹9。

2. 碳化硅热致膨胀系数 (SiC CTE) 可用作生物医学和生化系统中部署的微机电系统 (MEMS) 技术的涂层。基于 MEMS 技术的电气产品（例如发电机和音响设备）需要碳化硅热致膨胀系数 (SiC CTE) 的此类特性。选择碳化硅热致膨胀系数 (SiC CTE) 的目的是为了实现生产成本效益和可靠性。

图4：发电机部件中的碳化硅半导体

3. 碳化硅是一种值得信赖的先进陶瓷材料，用于生产建筑用耐用砖块。用于生产砖块的粘土中含有硅，赋予了其先进的陶瓷特性。砖块用于建筑结构，以提高其强度、耐用性和良好的通风性。

图5：碳化硅半导体（砖块）

4. 航空业以其对设备质量和耐用性的重视而闻名。这体现在飞机制造材料中使用硅陶瓷涂层。这确保了飞机足够坚固，能够抵抗高速风和飞行器的影响。碳化硅陶瓷的适当重量也确保了飞机的漂浮能力。

图6：由碳化硅陶瓷制成的飞机部件

5. 碳化硅陶瓷等先进陶瓷材料的物理和微观结构特性使其成为首选。它们被广泛应用于发电机等电气设备关键部件以及手术器械的制造。薄膜材料的应用使材料经久耐用，并具有抗磨损性能。

图 7：碳化硅在电子产品中的应用。

6. 我们在本文开头提到过，碳化硅也被称为金刚砂。“金刚砂”一词尤其适用于碳化硅陶瓷，尤其是在珠宝首饰中。作为钻石的良好替代品，金刚砂在订婚戒指的制作中备受青睐。它比钻石便宜，但同样具有震撼力！

7. 碳化硅能够承受高电压，因此非常适合用于电动汽车和太阳能汽车。碳化硅具有极高的导热性，能够促进电动汽车零部件之间的散热12。用于电动汽车 (EV) 充电器的碳化硅陶瓷可降低对其他零部件的需求，从而提高效率12。

8. 碳化硅陶瓷可用于光催化过程。光催化过程利用光能进行光合作用，从而加速热力学过程。光催化过程有助于减少工业活动产生的化学物质和毒素对环境的暴露。因此，碳化硅是保护环境的有效工具13。

9. 碳化硅陶瓷材料的硬度使其适合用作磨料。磨料本身需要具备抗拉强度和耐久性。碳化硅陶瓷等磨料广泛应用于建筑、科技等多个领域。例如，砂纸可用于打磨较软的粗糙表面14。

图8：碳化硅磨料-砂纸

10. 碳化硅也用于制造切削材料。它非常坚硬，因此在切削其他物体时能够耐腐蚀。涂覆碳化硅陶瓷的材料在切削硬质材料时，能够提供更高的精度和硬度。此外，用于切削的碳化硅陶瓷即使反复使用也不易磨损或腐蚀。

使用中的挑战 碳化硅包括以下内容：

Ø 碳化硅是一种非常稀有的材料。因此，其供应依赖于商业化生产，而这在大多数情况下会导致化合物的纯度不高。

Ø 碳化硅的生产成本高，这反映在需要它的工业者的购买成本高。

结论：

碳化硅是一项非常出色的发现，并持续对其各种应用产生深远影响。我们希望未来技术能够取得进一步的进步，从而创新出更经济的碳化硅生产方法，让更多工业界能够利用它。