碳化硅：概述、发现、特性、工艺和用途

碳化硅：概述、发现、特性、工艺和用途

碳化硅（SiC）是一种由硅（Si）和碳（C）结合而成的耐久性极高的晶体材料，以其卓越的硬度和弹性而闻名。它不仅在传统磨料领域有广泛应用，更在现代电子、能源、航空航天等领域展现出巨大潜力。本文将为您详细介绍碳化硅的发现历史、制造工艺、物理化学特性及其在各领域的应用前景。

碳化硅的发现

1891年，爱德华·G·艾奇逊（Edward G. Acheson）在尝试生产人造钻石时发现了碳化硅。艾奇逊利用电弧加热粘土和焦粉的混合物，在碳电极上形成了绿色晶体。这种材料最初被误认为是碳和氧化铝的化合物，被命名为“碳化硅”，因为天然氧化铝被称为刚玉。艾奇逊意识到这种化合物的硬度堪比钻石，于是申请了专利，由于其成本效益高、易得，这种化合物很快就成为一种广泛使用的工业磨料。

大约在同一时期，法国的亨利·莫桑（Henri Moissan）使用石英和碳创造了类似的材料，但他在1903年承认了艾奇逊的先前发现。在亚利桑那州的峡谷迪亚布罗陨石中发现了天然存在的碳化硅，即莫桑石。

碳化硅的制造

目前工业SiC的制造方法与艾奇逊工艺大致相似：

• 原材料：精心配制高纯度硅砂和细粉焦炭的混合物。
• 炉子操作：材料被排列在电阻炉中的碳导体周围。
• 化学反应：电流将核心加热至2,200–2,700°C，促进反应：SiO2+3C→SiC+2CO
• 后处理：几天后，炉子会产生一个由未反应材料包围的SiC晶体中心。产出物被粉碎、研磨和筛选，用于各种应用。

对于特殊用途，采用反应键合、化学气相沉积（CVD）和单晶生长等先进工艺来制造适用于电子或结构应用的高纯度SiC。

碳化硅（SiC）的特性

碳化硅（SiC）是一种独特的材料，结合了出色的机械、热学、电气和化学性能，使其成为各种高性能应用中不可或缺的材料。

机械性能

• 硬度：碳化硅的莫氏硬度约为9至9.5，是最坚硬的合成物质之一，仅次于钻石和碳化硼。
• 强度：具有高强度和优异的抗变形能力，适合用于需要耐磨性和耐用性的应用。

热性能

• 高热导率：SiC具有优异的热导率，范围从~120至270 W/mK，可在高功率系统中实现高效散热。
• 低热膨胀：该材料的热膨胀系数较低，可降低温度波动期间的热应力。
• 热稳定性：SiC在高温下仍能保持出色的结构完整性和强度，熔点约为2730°C。这使其成为加热炉和熔融金属加工等高温环境的理想选择。

电气性能

• 宽带隙：SiC的带隙范围从~2.3到3.3 eV（取决于多型体），被归类为宽带隙半导体，此特性使其在高温和高压应用中具有高效的性能。
• 高击穿电压：SiC可以承受高电场，适合大功率应用。
• 低漏电流：其电气性能确保最小的能量损失，这对于电力电子设备至关重要。
• 高频性能：SiC的特性支持高频开关，有利于电机驱动器、逆变器和射频系统等应用。

化学性质

• 化学惰性：SiC具有很强的抵抗化学反应的能力，在恶劣的环境下也能保持稳定性。
• 耐腐蚀：耐酸、碱和其他腐蚀性化学物质的氧化和腐蚀。
• 耐磨性：材料的硬度和化学惰性使其具有优异的抗磨损性能。

碳化硅（SiC）的应用

电子产品

• SiC用于MOSFET和二极管等功率半导体，可实现高效的能量转换。
• 由于其能够承受高温和高压，因此它是电动汽车（EV）、可再生能源系统和航空航天应用不可或缺的一部分。
• 用作LED和其他光子器件的基板。

磨料

由于其出色的硬度，碳化硅被用于制造砂轮、砂纸和切削工具，是精密加工和抛光的理想选择。

耐火材料

它的热稳定性使其适用于炉、窑和高温砖的内衬，确保在极端环境下的耐用性。

陶瓷

在生产用于高性能工业应用的先进陶瓷方面发挥着关键作用，提供卓越的机械和热性能。

耐磨部件

SiC用于制造泵零件、火箭发动机部件和其他耐磨物品，可提高使用寿命和可靠性。

先进材料

增强复合材料和陶瓷，提供更高的强度、刚度和抗热降解性。

LED和光子学

发光二极管（LED）和其他光子应用的关键基板材料，可提高能源效率。

核应用

SiC的高抗辐射性使其适合用于核反应堆，有助于在极端条件下提高安全性和效率。

碳化硅结构

晶体结构

• SiC有多种晶体形式，称为多型体。
• 常见的多型体包括3C-SiC（立方晶系）、4H-SiC（六方晶系）、6H-SiC（六方晶系）。

原子排列

• 硅和碳原子以共价键结合，形成坚固的四面体晶格结构。
• 这种结构有助于提高碳化硅的硬度和稳定性。

碳化硅加工

原料准备

将二氧化硅（SiO₂）与焦炭或石墨等碳源结合在一起。

碳热还原

SiO₂在电炉中高温（~2000°C）下与碳发生反应，形成SiC：SiO₂+3C→SiC+2CO

结晶

多型体是使用化学气相沉积（CVD）或物理气相传输（PVT）等技术来生长的。

加工

SiC可以被切割、成型或掺杂以适应特定应用（例如半导体）。

碳化硅 (SiC) 在电力电子和高性能应用中的优势

碳化硅（SiC）是一种宽带隙半导体材料，与传统硅（Si）器件相比具有多项优势，尤其是在逆变器、电机驱动器和电池充电器等应用中。其独特的性能使其具有卓越的性能，尤其是在较高电压下，使其成为新系统设计的理想选择。以下是SiC优势的全面总结：

更高效率

• 降低能量损耗：SiC器件在开关过程中的能量损耗显著降低。反向恢复能量损耗约为硅器件的1%，从而显著提高效率。
• 更快的关断速度：SiC几乎不存在尾电流，从而可以实现更快的开关转换，从而降低功耗。
• 低传导损耗：作为宽带隙材料，SiC具有低栅极电荷，因此器件运行所需的能量较少。

增强高温性能

• 热稳定性：SiC在高温下仍能保持稳定的电气特性，而硅则需要在室温下过度规范以解决高温下性能下降的问题。
• 高熔点：碳化硅的熔点约为2700℃，在极端环境下仍能保持结构稳定性，适用于熔融金属加工和高温加热炉。

更小、更轻的设计

• 更高的开关频率：SiC能够在更高频率下开关，从而减小变压器和滤波器等无源元件的尺寸和重量，从而实现更紧凑的系统设计。
• 降低冷却要求：SiC的效率可减少热量的产生，最大限度地减少了对笨重冷却系统的需求。

更高的额定电压

• SiC器件可在高得多的电压下工作，市售器件的额定电压为1,200V和1,700V。SiC已证明可在10kV以上电压下工作，远远超过硅的性能。

耐用性和寿命

• 更高的可靠性：与硅相比，SiC器件的平均故障时间（MTTF）大约是其10倍。
• 抗辐射：SiC对辐射的敏感度大约降低30倍，适用于太空和高辐射环境。

耐腐蚀和耐磨性

• 化学稳定性：SiC对酸、碱和氧化环境具有很强的抵抗力，可在恶劣条件下保持长期稳定性。
• 高硬度和强度：与传统陶瓷相比，碳化硅具有更优异的硬度和抗冲击性，是耐磨、抗冲击应用的理想选择。

提高热导率和电导率

• SiC的高热导率使其成为散热器和电力电子元件等高功率应用散热的绝佳选择。
• 其优异的电导性支持高效的电力转换和高频操作。

包装和设计注意事项

• 优化封装：为了最大限度地发挥SiC的优势，需要采用对称布局的专用封装来最大限度地减少环路电感并支持高频开关。
• 先进的栅极驱动器：SiC设备需要专门设计的栅极驱动器来处理更快的开关速度、更高频率的操作和增强的关断技术，以减少电流尖峰和振铃。

适用于高温和腐蚀性环境

碳化硅因具有优良的高温性能和抗腐蚀性能，被广泛应用于石油化工、高温炉等领域。

限制

• 成本：SiC器件比硅更昂贵，但系统级优势（特别是在1,200V及以上的电压下）可以抵消这一成本。
• 较低的短路耐受性：SiC需要快速作用的保护机制，这增加了设计的复杂性。
• 可用性有限：SiC器件在较低额定电压（例如600V/650V）下可用性较低，并且大多数产品都是分立元件。