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                          碳化硅陶瓷的現今應用及其在5G時代應用前景
                          - 2020-02-15-

                            1.碳化硅陶瓷材料結構、性能及應用關系

                            材料的結構主要有四個層次,依次為:1)原子結構;2)原子結合鍵;3)原子排列方式;4)相與組織。從材料理論觀點來看,材料結構決定材料性能;而材料的性能決定了材料的應用方向(圖1)。因而,材料結構上的根本性差異,使得陶瓷材料相對于有機高分子及金屬等固體材料,在應用上有所側重。

                            2.碳化硅(SiC)陶瓷結構及性能

                            陶瓷材料是由很強方向性和結合性共價鍵和離子鍵聯接構成的,從而其表現出了高熔點、高硬度、良好化學穩定性及耐磨性等特點[1]。碳化硅陶瓷作為陶瓷材料其中之一,其Si-C共價鍵率達到88%[2],展現了一般陶瓷材料優良性能。此外,也因本質結構原因,展現了特異優良性能。如圖2所示,SiC陶瓷結構為Si/C雙原子四面體,Si/C使其密度更小;與其他陶瓷材料相比,SiC是一種輕質陶瓷材料。而由Si/C兩種原子構成碳化硅也具有低熱膨脹系數、高導熱系數和耐熱震的性能特點[3]。

                            3.碳化硅陶瓷的應用

                            得益于碳化硅陶瓷一系列優良性能,使得碳化硅陶瓷在現代很多工業領域中得到了應用[4],主要集中在耐火材料、耐磨高溫件、磨料模具和防彈裝甲等四個方面。

                            1)耐火材料:相對于磨料,碳化硅陶瓷在國外更多作為耐火材料;而我國也逐步擴大了碳化硅陶瓷在耐火材料方面上的應用。耐火材料碳化硅一般有三種牌號,各自應用方向如表1所示。

                            2)耐磨高溫件:由于碳化硅陶瓷具有高硬度、耐酸堿化學腐蝕、良好的耐磨損性和導熱性,使得其常常被用于耐磨高溫件,如:高溫熱交換器和軋鋼機上的托輥。

                            3)磨料模具:碳化硅是除了金剛石和碳化硼后,硬度最大的材料;因此,在機械加工行業中,各種磨削用的砂布、砂輪、砂紙及各類磨料很多都是由碳化硅陶瓷材料制備而成的。

                            (4)防彈裝甲:現代防彈材料追求防彈效果、輕材料和低三位一體,而碳化硅硬度高、密度小、價格低等特點,使其在防彈裝甲中具有較大的應用前景。在坦克、船艦、戰斗機、防彈頭盔和防彈衣領域,都有碳化硅陶瓷的一席之地。

                            4.5G時代下的碳化硅陶瓷

                            好比人類進化伴隨智力發展和工具使用的升級,1G到5G的移動通信革新大體是軟件和硬件的升級。作為學材料出身的筆者,更關注的是與5G發展相匹配相適應地關鍵材料(硬件)。5G時代的核心繞不過半導體芯片;而SiC作為最新的第三代半導體材料,助力于5G移動通信發展。5G時代的關鍵材料中,陶瓷材料也大有所作為[5];那么,當SiC作為陶瓷材料時,能否在5G時代分一杯羹呢?結合5G時代關鍵材料特點及碳化硅陶瓷性能,在這里對5G時代下碳化硅陶瓷可能應用淺談一二。

                            1)手機電磁屏蔽材料:5G時代智能手機的內部芯片尺寸和間距越來越小,可以說集成化程度和信號傳輸密度高;這就導致手機內部的電磁干擾越發嚴重,故手機電磁屏蔽材料是5G時代智能手機不可或缺的組成部分。據報道,碳化硅陶瓷復合材料具有吸波波[6]的特點,其密度低,機械強度高,可望成為5G智能手機中的小型輕型微波吸收器。

                            2)手機導熱散熱材料:5G時代智能手機因功能越發強大,從而手機內部的芯片和模組集成化和密集化程度增大,從而導致半導體器件工作時產熱急劇增加。而半導體器件失效關鍵原因之一就是熱引發的,因此開發出配套良好的導熱散熱材料是十分迫切的。就導熱散熱陶瓷來講,氧化鋁陶瓷是目前最為成熟材料。不過,氧化鋁陶瓷還是具有導熱低與半導體芯片熱膨脹系數相差大的缺點,容易累加內應力致芯片失效,故很難適應5G時代對導熱散熱材料的要求。但碳化硅陶瓷的熱導率較高,熱膨脹系數較小,熱膨脹系數的匹配。故,SiC陶瓷在5G時代的手機導熱散熱材料領域有良好的前景。

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