SiC因具有宽带隙、高临界击穿电场、高电子饱和漂移速度等优异特性，在半导体电子功率器件和陶瓷材料等方面具有重要的应用价值，是第三代半导体材料的主要代表。但值得注意的是，SiC材料还具有优异的导热性能，其理论导热率可以达到490 W/(m•K)，在非导电材料中已属佼佼者。例如，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SiC导热性能的应用。

碳化硅散热基板

SiC的晶体结构

SiC晶体的主要结构是由原子堆积成两个主配位四面体SiC₄和CSi₄组成，这些四面体连接紧密堆积形成的结构称为多型体，一般在垂直方向堆积的方式不同形成不同的晶体结构。典型的SiC多型体结构有3C、4H、6H和15R-SiC等（其中数字表示多型体结构的层数，字母表示晶格的对称性，如C：立方体；H：六角形；R：菱面体）。

3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC 多型体的堆积结构

（黑色为Si原子，白色为C原子）

SiC的物理性质和热学性质都是由多型体结构决定，现已发现约有250种，其中两种基本的多型体备受关注，一种是α-SiC，另一种是β-SiC，分别称为六方和立方碳化硅。α-SiC晶体最常见的多型体有2H、4H、6H和15R，而3C是β-SiC晶体的基本多型体。

典型结构3C-SiC与4H、6H-SiC 的性能参数

SiC材料导热率的影响因素

SiC的导热性主要受其晶体缺陷的影响，晶体缺陷包括SiC的二次相和晶体边界等。SiC二次相的比例取决于烧结添加剂的数量和组成，晶体边界的性质取决于烧结助剂的组成成分及烧结条件。

因此SiC材料的导热率主要取决于：

（1）烧结助剂的数量、化学计量比、化学性质以及相关的晶界厚度和结晶度；

（2）晶粒尺寸；

（3）SiC 晶体中杂质原子的类型和浓度；

（4）烧结气氛；

（5）烧结后的热处理等。

1.烧结方式的影响

（1）无压烧结

无压烧结工艺制备碳化硅陶瓷的工艺简单，成本适中，可制备复杂结构产品，在工业生产中应用广泛。研究表明，当提高烧结温度时，SiC晶格氧含量和气孔率降低，晶粒尺寸增大，热导率也有一定的提升；但当温度升高到一定程度后，晶粒尺寸继续增大，但气孔率反而升高，气孔的增多加剧了声子散射，碳化硅陶瓷的热导率会降低。

无压烧结过程

（2）反应烧结

反应烧结碳化硅陶瓷的工艺具有烧结温度低、周期短、成本低、可实现近净尺寸成型等优点，广泛应用于复杂结构碳化硅产品的制备。研究表明，成型压力对反应烧结碳化硅的热导率影响最大，其次是碳添加量，碳化硅颗粒级配的影响最小。

（3）放电等离子烧结

放电等离子烧结工艺具有升温速率快、加热均匀等优点。如果于保温时间较长，会促使添加剂在SiC晶粒之间形成连续的网络状结构，导致晶界热阻增加，从而降低碳化硅陶瓷的热导率。

（4）热压烧结

热压烧结可以提高陶瓷制品的致密性和物化性能，并能够实现某些难烧结高温陶瓷材料（B₄C、SiC、ZrB₂等）的致密化。采用退火工艺处理可以促进添加剂与碳化硅表面的SiO₂发生反应，减少SiC晶格中的氧含量，增加晶粒间的接触，同时也可减少碳化硅内部的晶体缺陷，因此退火工艺有助于 提高碳化硅陶瓷的导热性能。另外，烧结气氛对碳化硅室温热导率也有一定影响，在氮气气氛下采用热压烧结，，氮原子会溶入到SiC晶粒间的玻璃相中，玻璃相中氮含量的增多必会造成氧含量的降低，并导致SiC晶格氧含量的降低，因此碳化硅陶瓷的热导率提高。

综合各类烧结工艺，烧结方式对碳化硅陶瓷热导率的影响较小；适合的烧结温度和保温时间可以制备热导率较高的碳化硅陶瓷；在烧结过程中采用氮气保护并对烧结后的陶瓷进行退火处理，有助于提高碳化硅陶瓷的热导率。

2.不同添加剂掺杂对热导率的影响

在制备具有高导热率的陶瓷过程中，晶格中的氧会产生额外的硅空位，这些空位导致声子散射，使热导率降低，因此烧结添加剂的选择需要考虑氧含量的影响。

为了制备具有高导热率的陶瓷，改善SiC陶瓷导热性的策略主要包括：

（1）采取从添加剂混合物中去除含氧化合物，以及选择从SiC晶格中去除氧的烧结添加剂组合物；

（2）最大限度地减少氧化物烧结添加剂的用量，因为氧化物或碳氧化物相的热导率明显低于SiC晶格的热导率。

对于几种常用添加剂的作用总结如下：

SiC导热材料的应用前景

SiC陶瓷作为一种高性能结构陶瓷材料，具有优异的热性能，可广泛应用于耐高温、加热与热交换工业领域。

1.高温应用领域

SiC 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，SiC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；SiC辊棒用于高温烧成带，具有良好的导热性能，节约能源的同时不增加窑车重量；SiC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。

SiC辊棒用于制备锂电池材料

另外，由于SiC 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SiC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。

燃气轮机

2.加热与热交换工业领域

SiC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，SiC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。SiC换热器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。SiC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，显著节约能源，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。

碳化硅换热器

总结

随着科学技术的不断发展，碳化硅陶瓷在半导体领域的应用需求量急剧增长，而高热导率是其应用于半导体制造设备元器件的关键指标，因此加强高导热碳化硅陶瓷的研究至关重要。目前对于高导热碳化硅陶瓷的研究还有很多不足，主要在以下几点需要加强：一是加强碳化硅陶瓷粉体的制备工艺研究，高纯、低氧碳化硅粉的制备是实现高热导率碳化硅陶瓷制备的基础；二是加强烧结助剂的选择及其相关理论研究；三是加强高端烧结装备的研发，通过调控烧结工艺得到合理的显微结构是获得高热导率碳化硅陶瓷的必备条件。

参考来源：

1.高导热碳化硅陶瓷的研究进展，王晓波、王峰、贺智勇、张启富（机械工程材料）；

2.碳化硅在导热材料中的应用及其最新研究进展，江汉文、俞星星、薛名山、彭同华、洪珍、梁丹妮（南昌航空大学学报：自然科学版）；

3.高热导率SiC陶瓷材料制备及应用研究，李其松（山东大学）；

4.国内外碳化硅陶瓷材料研究与应用，李辰冉、谢志鹏、康国兴（硅酸盐通报）。

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