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5G时代碳化硅陶瓷的可能应用

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5G时代碳化硅陶瓷的可能应用

发布日期:2021-12-04 作者:长兴县煤山星光耐火材料厂 点击:

1.材料的结构、性质和用途。

其结构分为四个层次,分别是:1)原子结构;2)原子结合键;3)原子排列方式;4)相与组织。就物质理论而言,材料结构决定着材料的性质,而材料的性质则决定其应用方向(图1)。因此,材料在结构上的根本区别,使陶瓷材料相对于有机高分子和金属等固体材料,在应用上有重点。

2.碳化硅(SiC)陶瓷的结构和性质。

由于具有极强指向性和结合性共价键与离子键结合而成,陶瓷材料具有高熔点、高硬度、化学稳定性和耐磨性等特点[1]。作为陶瓷材料中的一种,Si-C的共价键系数可达88%[2],表现了普通陶瓷材料的优异性能。另外,由于本质结构的原因,呈现出特殊的优异性能。Si/C使碳化硅陶瓷的材料结构为Si/C双原子组成四面体,Si/C致密度低;相对于其他陶瓷材料,碳化硅是一种轻质陶瓷材料。同时,Si/C两种原子组成的碳化硅还具有低热膨胀系数、高热导率和抗热冲击性能[3]。

3.陶瓷碳化硅应用。

由于碳化硅陶瓷一系列优异的性能,使碳化硅陶瓷在现代许多工业领域都有广泛的应用[4],其重点是耐火材料、高温耐磨件、磨料模、防弹甲四个方面。

1)耐火材料:与磨料相比,国外碳化硅陶瓷用作耐火材料较多;而我国也逐步扩大碳化硅陶瓷在耐火材料方面的应用。耐火碳化硅的牌号一般有三个,它们各自的应用方向见表1。

表格1黑色碳化硅产品名称及用途。

2)耐磨高温件:由于碳化硅陶瓷硬度高,耐酸碱腐蚀,有较好的抗磨损性和导热性,使其常用于高温耐磨件,如:轧钢机上的高温换热器及托辊。

研磨模:碳化硅是除金刚石和碳化硼以外硬度Z高的材料,所以在机械加工业中,各种砂布、砂轮、砂纸及各种磨料都是由碳化硅陶瓷材料制成。

4)防弹护甲:现代防弹材料追求防弹效果好,材料轻便,价格便宜三位一体;而碳化硅具有硬度高、密度相对小、价格低廉等特点,使它在防弹甲上大有作为。碳化硅陶瓷在坦克、舰船、战斗机、防弹头盔、防弹衣等领域有着广泛的应用。

4.5G时代的碳化硅陶瓷。

正如人类进化伴随着智力发展和工具使用升级一样,1G到5G的创新基本上就是软件和硬件的升级。身为研究材料出身的作者,更关心与5G发展相适应的关键材料(硬件)。5G时代的核心不能超越半导体芯片;而SiC作为Z新的第三代半导体材料,推动了5G移动通信的发展。5G时代的关键材料,陶瓷材料也大有作为[5];那么,在5G时代,SiC能不能分一杯羹?针对5G时代的关键材料特性和碳化硅陶瓷的特性,本文就5G时代碳化硅陶瓷的可能应用进行了探讨。

1)手机电磁屏蔽材料:5G时代智能手机内部芯片的体积和间距越来越小,可以说集成度和信号传输密度都很高;这使得手机内部的电磁干扰愈演愈烈,因此手机电磁屏蔽材料是5G时代不可缺少的一部分。研究表明,碳化硅陶瓷复合材料具有吸波性能[6],再加上其本身密度小、机械强度高,因此可望成为5G智能手机内部小型轻量化的吸波器件。

2)手机热传导与散热材料:5G时代的智能手机由于功能愈来愈强大,从而使手机内部的芯片和模组集成化、致密化程度提高,从而导致半导体工作时热值急剧上升。然而半导体器件失效的关键原因之一是热源,因此开发一种具有良好热传导和散热配套的材料显得尤为迫切。对于热传导与散热陶瓷而言,氧化铝陶瓷是目前Z成熟的材料。但是,氧化铝陶瓷仍然存在导热低和半导体芯片热膨胀系数差的缺点,易累加内应力而导致芯片失效,因此难以适应5G时代对导热散热材料的要求。与硅片热导率高,热膨胀系数小,且与芯片的热膨胀系数匹配度极高;此外,若5G时代,芯片材料采用Z新一代SiC半导体,热膨胀系数匹配度也会达到完美。因此,SiC陶瓷在5G时代手机热传导与散热材料领域具有很好的应用前景。

碳化硅制品.png

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关键词:碳化硅陶瓷,碳化硅制品,碳化硅

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