碳化硅在导热材料和吸波材料中应用广阔

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发表时间：2022-04-15

随着社会的发展和科学技术的进步,电子设备和仪器越来越趋向精密化、小型化和高性能化,而效能提升随即带来对导热散热的高需求.其中,碳化硅(SiC)由于具有良好的耐磨性、高温力学性、抗氧化性、宽带隙等特性,在半导体、核能、国防及空间技术等高科技领域具有广阔的应用前景.碳化硅具有的高导热系数奠定了其在第三代半导体材料中的地位,促进了其在新一代芯片技术和导热散热技术领域的推广应用.

电子器件在工作时,不可避免地会产生热量,电子器件的工作效率会因其工作温度的升高而下降,如不及时解决其散热问题,将导致电子器件无法高效工作,甚至损坏.在以5G通信为代表的新一代信息技术中,相比以往成倍增长的高密度热流的散热问题愈加突出.碳化硅材料具有优异的导热性能,在非导电材料中已属佼佼者.在以碳化硅为基底开发的新一代大功率高密度器件中,将不仅可以利用碳化硅的高导热性,还可以充分发挥其优异的热稳定性和耐腐蚀性等.在半导体器件的基底材料、高导热陶瓷材料、半导体加工的加热器和加热板、核燃料的胶囊材料以及压缩机泵的气密封环中,都可以看到碳化硅导热性能的应用.

碳化硅是第三代半导体产业的重要基础材料,以它为核的功率器件耐高压、耐高温、低损耗,满足高效率、小型化和轻量化要求,在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势.是目前综合性能最好、商品化程度较高、技术最为成熟的第三代半导体材料.

高温应用领域

碳化硅陶瓷具有的高温强度高、耐高压、高温蠕动性小等优点,能适应各种高温环境.例如,碳化硅横梁,适用于工业窑炉中的承重结构架,它高温力学性能优异,抗高温蠕变性好,长期使用不弯曲变形.碳化硅棍棒用于高温烧成带,具有良好的导热性能,节约能源的同时不增加窑车重量.碳化硅冷风管用于窑的降温带,耐急冷热性能好,其使用寿命是不锈钢管或氧化铝等耐火材料的5~10倍.另外,由于碳化硅陶瓷突出的高温强度、优良的抗高温抗蠕变能力以及抗热震性,使其成为火箭、飞机、汽车发动机和燃汽轮机中热机部件的主要材料之一,通用汽车公司研制的AGT100车用陶瓷燃气轮机就采用碳化硅陶瓷用作燃烧室环、燃烧室筒体、导向叶片和涡轮转子等高温部件.

加热与热交换工业领域

碳化硅陶瓷具有的低热膨胀系数、高导热率、抗热冲击性,可广泛应用于加热与热交换工业领域.例如,碳化硅喷火嘴,其高热导率结合其低热膨胀,抗热震性远优于碳化钨,耐高温,耐极冷极热,使用温度大于1400 ℃,还可被加工成各种形状,适用于明火直接加热和辐射管间接加热系统的工业窑炉中.在通常情况下,工业窑炉中释放的气体不仅温度高而且有腐蚀性,这就要求热交换器同时具有耐高温、耐腐蚀和抗热震性,可承受大的热应力.碳化硅换热器则满足了这一需求,换热器内部分为空气通道和烟气通道,能有效地进行烟气回收,具有超强的耐磨性和完全的不渗透性,允许介质以高速通过,且热交换率高,是一种理想的节能装置.碳化硅辐射管,用于辐射管间接加热系统,良好的热传导性能可以极大提高散热效果,显着节约能源,同时使得整个加热系统的运行寿命增加,有效降低维护成本.

碳化硅可用于新一代发光二极管(LED)的基底材料、大功率电力电子材料.

碳化硅运用于新能源汽车的快速充电技术.现在开发的快速充电桩使用碳化硅半导体材料,可以大大提高设备的充电效率、降低使用成本,整套装置的投资更少,收益更高.电动车逆变器也是碳化硅功率器件最主要的市场,相同功率下碳化硅模块封装尺寸更小,损耗更低.碳化硅功率器件成为提升电动车延长行驶里程、缩短充电时间、增大电池容量的重要手段.