中國粉體網(wǎng)訊 碳化硅材料主要包括單晶和陶瓷2大類。
無論作為單晶還是陶瓷材料，碳化硅的高熱導率都是其能夠廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前文獻報道的碳化硅陶瓷室溫熱導率在30～270Ｗ·m-1·K-1，遠低于碳化硅單晶理論室溫熱導率（490Ｗ·m-1·K-1），這主要是由于碳化硅陶瓷中存在晶界、固溶體、晶格氧、氣孔等。
SiC陶瓷熱導率的影響因素
影響SiC陶瓷熱導率的主要因素為溫度、氣孔、晶體結(jié)構(gòu)和第二相等。
在SiC陶瓷傳統(tǒng)服役溫度下(≥25℃)，其熱導率隨溫度升高逐漸減小。
SiC陶瓷的氣孔特性與其熱導率存在較強相關(guān)性，隨氣孔率增大或閉口氣孔數(shù)量增多，SiC陶瓷的熱導率顯著降低，而通過構(gòu)筑特殊氣孔通道，可制備得到具有各向異性且熱導率可控的SiC陶瓷。
SiC多型體熱導率的相關(guān)研究仍存在較多爭議，其對SiC陶瓷熱導率的影響主要歸因于材料內(nèi)部界面熱阻的改變，當SiC晶型趨向一致時，材料的熱學性能更佳。
一般情況下，第二相將導致材料中異質(zhì)界面增多，使聲子散射頻率增大，但外加高熱導率第二相時，SiC中含有更多熱量傳輸載體，當?shù)诙鄬iC熱導率的增益效果大于聲子散射時，材料的熱導率得到提升。
提升SiC陶瓷熱導率的措施
改善SiC陶瓷熱導率的關(guān)鍵是降低聲子散射頻率，提升聲子平均自由程。通過降低SiC陶瓷的氣孔率和晶界密度、提升SiC晶界純潔度、減少SiC晶格雜質(zhì)或晶格缺陷、增加SiC中熱流傳輸載體將有效提升SiC的熱導率。目前，優(yōu)化燒結(jié)助劑種類及含量、高溫熱處理和添加高導熱第二相等是改善SiC陶瓷熱導率的主要措施。
優(yōu)化燒結(jié)助劑種類及含量
制備高導熱SiC陶瓷時常需添加各種燒結(jié)助劑。其中，燒結(jié)助劑的種類及含量對SiC陶瓷熱導率的影響較大，如Al2O3體系燒結(jié)助劑中的Al或O元素易固溶進SiC晶格，產(chǎn)生空位和缺陷，導致聲子散射頻率增大。此外，若燒結(jié)助劑含量較低，材料難以燒結(jié)致密化，而燒結(jié)助劑含量較高將導致雜質(zhì)和缺陷增多，過量液相燒結(jié)助劑還可能抑制SiC晶粒長大，降低聲子平均自由程。因此，為制備得到高導熱SiC陶瓷，需在滿足其燒結(jié)致密的前提下盡可能減少燒結(jié)助劑含量，且盡量選擇難溶于SiC晶格的燒結(jié)助劑。
下表為添加不同燒結(jié)助劑時SiC陶瓷的熱導率、熱擴散系數(shù)及比熱容。
高溫熱處理
對SiC陶瓷進行高溫熱處理，有利于消除晶格缺陷、位錯和殘余應(yīng)力，促進材料中部分非晶體向晶體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，減弱聲子散射作用。此外，高溫熱處理可有效促進SiC晶粒生長，最終提升材料的熱學性能，如SiC陶瓷經(jīng)1950℃高溫熱處理后，其熱擴散系數(shù)由83.03mm2·s-1增加至89.50mm2·s-1，常溫熱導率由180.94W·m-1·K-1增加至192.17W·m-1·K-1。
添加鋁、硼和碳等高導熱第二相
通過添加鋁、硼和碳等單質(zhì)，可以使多孔SiC陶瓷的堆積密度增加，導致孔隙率以及孔徑減小，從而提高其導熱性。高熱導率添加劑提高碳化硅陶瓷熱導率的機理可歸納為：
（１）添加劑具有超高的熱導率；
（２）添加劑具有高的電子遷移率，增加了碳化硅陶瓷基體中自由移動載流子數(shù)量；
（３）添加劑與碳化硅顆粒表面SiO2發(fā)生反應(yīng)，降低SiC晶格氧含量和缺陷數(shù)量，改善SiC晶粒間的接觸情況，從而減少SiC晶體中的聲子散射，提高碳化硅陶瓷的熱導率。
采用合適的燒結(jié)工藝
高導熱SiC陶瓷的主要制備工藝有熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、無壓燒結(jié)、重結(jié)晶燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)等，不同制備工藝下SiC陶瓷的熱導率有一定的差異。
使用熱壓燒結(jié)法或放電等離子燒結(jié)法可制備得到熱導率大于230W·m-1·K-1的SiC陶瓷，但由于熱壓燒結(jié)法和放電等離子燒結(jié)法的工藝特殊，燒成過程中原料粉體受到垂直機械壓力，因此制得的SiC陶瓷尺寸受限且結(jié)構(gòu)單一。
使用無壓燒結(jié)法、重結(jié)晶燒結(jié)法和反應(yīng)燒結(jié)法時，可制備得到大尺寸和復雜結(jié)構(gòu)的SiC陶瓷，但這三種工藝難以制得熱導率大于230W·m-1·K-1的SiC陶瓷。例如，反應(yīng)燒結(jié)SiC受生坯密度和燒成制度等因素制約，較難制得高純度SiC陶瓷，材料內(nèi)常含有游離硅，其熱導率受游離硅粒徑、尺寸和分布制約。
無壓燒結(jié)SiC同樣需添加各種燒結(jié)助劑，其中無壓液相燒結(jié)SiC熱導率通常小于120W·m-1·K-1，雖然無壓固相燒結(jié)SiC熱導率可達到192.17W·m-1·K-1，但其燒成溫度較高(≈2150℃)且斷裂韌性較差。
重結(jié)晶SiC中SiC含量通常大于99%，但由于其蒸發(fā)-凝聚的燒結(jié)機理，使用該工藝難以制得高致密SiC陶瓷，燒結(jié)材料中含有較多貫通孔，材料中聲子-氣孔散射頻率較大，因此其熱導率低于高致密SiC陶瓷。
SiC高導熱材料的應(yīng)用前景
碳化硅單晶
SiC具有高導熱、禁帶寬度大、電子飽和遷移速率高和臨界擊穿電場高等優(yōu)異性質(zhì)，其優(yōu)異的綜合性能彌補了傳統(tǒng)半導體材料與器件在實際應(yīng)用中的不足，在電動汽車、手機通信芯片等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。由于SiC有著更高的可靠性、更高的工作溫度、更高的效率、更小的尺寸和更高的電壓承受能力，可應(yīng)用于主驅(qū)板、車載充電機和電源模塊等功率器件，從而可大幅度提高效率，給電動汽車增加續(xù)航能力。同時，SiC具有良好的導熱性能，使用SiC半導體功率器件可以縮小電池尺寸以及更有效地轉(zhuǎn)換能量，從而降低總成器件的成本。
導電型碳化硅襯底，圖片來源：天岳先進
碳化硅陶瓷
（1）高溫應(yīng)用領(lǐng)域
SiC陶瓷具有的高溫強度高、耐高壓、高溫蠕動性小等優(yōu)點，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，它高溫力學性能優(yōu)異，抗高溫蠕變性好，長期使用不彎曲變形。
SiC橫梁，圖片來源：華美新材料
SiC輥棒用于高溫燒成帶，具有良好的導熱性能，節(jié)約能源的同時不增加窯車重量。
SiC冷風管用于窯的降溫帶，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。
另外，由于SiC陶瓷突出的高溫強度、優(yōu)良的抗高溫抗蠕變能力以及抗熱震性，其成為火箭、飛機、汽車發(fā)動機和燃汽輪機中熱機部件的主要材料之一，通用汽車公司研制的AGT100車用陶瓷燃氣輪機就采用SiC陶瓷用作燃燒室環(huán)、燃燒室筒體、導向葉片和渦輪轉(zhuǎn)子等高溫部件。
（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，其高熱導率結(jié)合其低熱膨脹，抗熱震性遠優(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換熱器則滿足了這一需求，換熱器內(nèi)部分為空氣通道和煙氣通道，能有效地進行煙氣回收，具有超強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。
輻射管內(nèi)管，圖片來源：華美新材料
SiC輻射管，用于輻射管間接加熱系統(tǒng)，良好的熱傳導性能可以極大提高散熱效果，顯著節(jié)約能源，同時使得整個加熱系統(tǒng)的運行壽命增加，有效降低維護成本。
參考來源：
[1]江漢文等.碳化硅在導熱材料中的應(yīng)用及其最新研究進展
[2]董博等.碳化硅陶瓷導熱性能的研究進展
[3]王曉波等.高導熱碳化硅陶瓷的研究進展
[4]張馳等.碳化硅材料熱導率計算研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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