碳化硅的应用领域还有哪些？

碳化硅的应用领域还有哪些？

碳化硅（SiC）作为一种宽禁带半导体材料，近年来在多个领域展现出独特的优势和广阔的应用前景。从新能源汽车到5G通信，从航空航天到医疗设备，碳化硅凭借其优异的物理性能，正在推动相关产业的技术革新和效率提升。本文将全面介绍碳化硅在各个领域的具体应用，展现其在现代科技中的重要作用。

碳化硅具有广泛的应用领域。在5G基建方面，其应用于通信电源，可提升电源整体效率。新能源汽车充电桩中，使用碳化硅器件能实现充电速度提升和成本降低。大数据中心、工业互联网领域，服务器电源采用碳化硅功率器件能提高功率密度和效率，降低数据中心建设成本。特高压领域，碳化硅在柔性输电直流断路器中有广阔应用前景，能减少串联子单元数量。

在新能源汽车行业，碳化硅功率器件有助于实现电力电子驱动系统轻量化、高效化，广泛应用于主驱逆变器、OBC、DC/DC转换器和非车载充电桩等关键部件，可减轻汽车重量，提升续航里程，减少电控系统体积。在光伏发电应用中，使用碳化硅MOSFET或其与SBD结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可大幅提升，降低能量损耗，延长设备循环寿命，降低生产成本。

此外，碳化硅在建材陶瓷砂轮工业、有色金属冶炼领域、钢铁行业、冶金选矿行业、节能材料、半导体光伏产业等均有应用。碳化硅超细微粉也是良好的光伏材料，常用于太阳能、半导体材料或新型节能材料的制作。

在核工业领域，大尺寸复杂形状SiC陶瓷核反应堆芯等部件需求逐渐增多。集成电路制造关键装备光刻机中，SiC陶瓷工件台、导轨、反射镜、陶瓷吸盘、手臂等部件也有应用。新能源锂电池生产配套的中高端精密SiC陶瓷结构件，光伏行业生产用扩散炉配套高端精密SiC陶瓷结构件和电子半导体高端芯片生产制程用精密高纯SiC陶瓷结构件也有其身影。

碳化硅还可用于新型碳化硅耐火材料、高档碳化硅磨料、碳化硅涂料等领域。涂料方面，具有高辐射率、适用性广、保护墙体、阻止落尘、无挥发、节能效果等优点，主要应用于不直接接触熔体的各种高温工业炉窑。

碳化硅复合陶瓷因其高抗拉强度、良好的韧性和耐腐蚀性，在航空航天、汽车、电子和能源等领域有着广泛的应用前景，如用于制造涡轮机叶片、刹车系统等。

碳化硅在医疗领域也有应用，如CT影像设备的高压发生器，碳化硅X射线探测器具有高灵敏度、低噪声、高分辨率等优点，有助于提高疾病诊断效率和治疗效果。

在储能领域，今年以来，相关终端企业加速将碳化硅导入到产品设计之中，如领充新能源发布SiC储能系统，新艾电气发布SiC储能模块，盛弘股份发布全球首款碳化硅储能变流器等。

碳化硅在军工领域的应用

碳化硅在军工领域的应用十分广泛。由碳化硅纤维制备的SiC/SiC复合材料具有优异的耐热性能，将替代高温合金在航空发动机上的应用。高推重比是先进航空发动机不断追求的目标，随着发动机推重比的提升，涡轮进口温度不断提高，现有高温合金材料体系难以满足先进航发的需求。例如，现有推重比10一级的发动机涡轮进口温度均达到了1500℃，推重比12-15的发动机涡轮进口平均温度将超过1800℃以上，这远超高温合金及金属间化合物的使用温度。目前，耐热性能最好的镍基高温合金材料工作温度只能达到1100℃左右，而SiC/SiC使用温度能提高到1650℃，被认为是最理想的航空发动机热端结构件材料。在欧美等航空发达国家，SiC/SiC已在航空发动机静止件上得到实际应用和批量生产，包括M53-2，M88，M88-2，F100，F119，EJ200，F414，F110，F136等多种型号军/民用航空发动机；在转动件的应用上仍处于研制试验阶段。国内基础研究起步较慢，与国外工程化应用研究存在巨大差距，但也已取得成果。2022年1月，由西北工业大学使用国产新型陶瓷基复合材料打造的航空发动机整体涡轮盘成功完成首次飞行试验验证，这也是国内陶瓷基复合材料转子件首次配装平台的空中飞行试验，也有利于推动陶瓷基复合材料部件在无人机/靶机上大规模应用。此外，碳化硅复合材料还被广泛应用于飞机结构中，包括机翼、起落架和航空发动机零部件，其高强度和耐热性能使飞机更加轻便和耐久，提高了飞行安全性。用于承受高温环境下的热结构件、控制器件在高温环境下稳定性的热控件以及用于提升光学系统稳定性和性能的光学器件等。在宇航器件中，碳化硅提供机身外壳的高温保护，高温外壳、隔热瓦用于隔离高温热源，保护内部器件。在火箭发动机中，通过碳化硅复合材料制备的喷管可以提高耐高温性能，在喷管性能测试中，碳化硅材料的耐磨性和稳定性是关键指标。碳化硅结构件具有高强度、耐高温、轻质等特点，在卫星结构件设计中发挥着重要作用，设计过程需要考虑其材料特性和制造工艺，确保结构件在卫星工作环境中稳定性和可靠性。

碳化硅在通信领域的其他应用

碳化硅在通信领域具有重要作用。半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制备微波射频器件等，广泛应用于5G通信基站等场景。以半绝缘型碳化硅衬底为基础制备的射频器件具有与硅基器件相比具有更高的工作频率和功率密度等特点，因此随着通信技术的迭代，具有明确而广泛的应用前景。此外，碳化硅在通信领域的应用还体现在能够提高能源利用效率，减小设备体积和重量，降低成本。

碳化硅在医疗领域的更多应用

碳化硅在医疗领域的应用日益广泛。碳化硅X射线探测器具有高灵敏度、低噪声、高分辨率等优点，有助于提高疾病诊断效率和治疗效果。博思得总经理黄强先生曾在行业会议报告中指出，随着碳化硅的应用、元器件国产化和绝缘材料的开发使得大功率逆变技术和高压绝缘技术得以实现，并成功应用于X光高压发生器。基于这些新技术的应用，博思得开发出了新一代的DR、CT类高压发生器产品，其绝缘等级更高、可靠性更强，并且体积更小。忱芯科技也曾发布自己的碳化硅CT高压发生器产品，性能参数上此款产品kV上升和下降时间小于200微秒，比彼时市场占有率最高的美国同款产品快约100倍，此外，通过自研超低杂感碳化硅功率半导体模组，极低分布电容绝缘封装以及500kHz超高频精密控制，可实现80kV与140kV高速切换，切换时间小于150微秒，赋能CT系统双能成像。除此之外，忱芯还有Coolidge系列一体式碳化硅X射线源，主要用于口腔CBCT，电源转换与控制模块采用高速碳化硅功率半导体驱动及保护。在该领域，忱芯科技还服务于飞利浦、联影、锐珂等全球头部公司。与传统的硅器件相比，碳化硅(SiC)器件由于拥有低导通电阻特性以及出色的高温、高频和高压性能，已经成为下一代低损耗半导体可行的候选器件。并且SiC让设计人员能够减少元件的使用，从而进一步降低了设计的复杂程度。SiC元器件的低导通电阻特性有助于显著降低设备的能耗，从而有助于设计出能够减少CO2排放量的环保型产品和系统。

碳化硅在能源存储的未来应用

碳化硅在能源存储领域具有广阔的未来应用前景。在每个家庭中安装储能系统以利用可再生能源，并与该家庭使用的电动汽车进行双向连接，这是许多国家正在推动的未来趋势。这里的目标是仅在必要时使用电网电源。在住宅太阳能应用中，功率水平通常<15kW，电压范围为90-240V。例如，房屋屋顶上的太阳能电池板将提供直流电源为直流储能电池（ESS）充电，连接到ESS的微型逆变器为家庭供电或返回电网。因此，需要双向性。一些关键要求是尺寸、容量、效率和成本。与硅基电池相比，基于SiC的ESS电池充电具有许多优势。比如，对于功率为400kW或更高的EV电池进行非车载充电时，电压电平可以为100V，在这种情况下，可以使用此类模块的堆栈。与Si IGBT相比，更紧凑、更高效的SiC解决方案的效率提高了1-2%，功率密度提高了35-50%。由于SiC的较高开关频率减小了无源器件的尺寸和成本，因此整体系统成本较低，而导通电阻随温度变化而降低，从而降低了传导损耗。系统损耗的整体降低以及碳化硅导热性的提高降低了冷却成本。

碳化硅在航空航天的最新应用

碳化硅在航空航天领域的应用不断取得新进展。在飞机结构中，碳化硅复合材料被广泛应用，包括机翼、起落架和航空发动机零部件，其高强度和耐热性能使飞机更加轻便和耐久，提高了飞行安全性。用于承受高温环境下的热结构件、控制器件在高温环境下稳定性的热控件以及用于提升光学系统稳定性和性能的光学器件等。在宇航器件中，碳化硅提供机身外壳的高温保护，高温外壳、隔热瓦用于隔离高温热源，保护内部器件。在火箭发动机中，通过碳化硅复合材料制备的喷管可以提高耐高温性能，在喷管性能测试中，碳化硅材料的耐磨性和稳定性是关键指标。碳化硅结构件具有高强度、耐高温、轻质等特点，在卫星结构件设计中发挥着重要作用，设计过程需要考虑其材料特性和制造工艺，确保结构件在卫星工作环境中稳定性和可靠性。空客与ST签署了一项电力电子研发合作协议，合作内容将会集中在开发适用于空客的航天航空应用的SiC和GaN器件、封装和模块。具体来说，就是将会在航天航空应用的电动机控制单元、高低压电源转换器、无线电力传输系统等方面对SiC和GaN器件进行测试评估。空客发展混合动力，分布式混合动力推进飞机验证机EcoPulse在巴黎航展上首次进行了公开亮相，该飞机采用了分布式的动力架构，一个独立的电源可以为分布在飞机上的多台电机提供动力。

综上所述，碳化硅在军工、通信、医疗、能源存储和航空航天等众多领域都展现出了广泛的应用前景和巨大的发展潜力。随着技术的不断进步和研究的深入，相信碳化硅在这些领域的应用将会不断拓展和深化，为各行业的发展带来更多的创新和突破。