新能源、新材料和半導(dǎo)體等新興產(chǎn)業(yè)將對(duì)碳化硅材料產(chǎn)生巨大需求。大力發(fā)展碳化硅產(chǎn)業(yè)，可以帶動(dòng)和帶動(dòng)兩個(gè)千億級(jí)的原材料和裝備產(chǎn)業(yè)，有助于中國(guó)加快向高端材料和高端裝備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展。“第十四個(gè)五年計(jì)劃”和2021年度“2035長(zhǎng)期目標(biāo)綱要”提出，中國(guó)將加快以碳化硅為代表的新一代新材料、新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，催生出一批快速增長(zhǎng)的新材料企業(yè)，今天我們就“碳化硅的性能及用途”來(lái)做一個(gè)詳細(xì)介紹。

碳化硅的性能：

硬度：碳化硅硬度大，一般來(lái)說(shuō)是硬而脆，可用作研磨材料。作為磨料使用的碳化硅顆粒在研磨時(shí)碎裂形成新的破碎面，由此再進(jìn)行研磨，如此反復(fù)而獲得更高的研磨效率。其缺點(diǎn)是，經(jīng)過(guò)燒結(jié)制成陶瓷則很難加工，因?yàn)榇嗨宰鳛楫a(chǎn)品使用時(shí)容易損壞。

耐熱性：因?yàn)樘蓟枞埸c(diǎn)高，一般用于耐熱材料。表1列出了具有代表性的陶瓷粉末的熔點(diǎn)。

導(dǎo)熱性：碳化硅陶瓷的導(dǎo)熱率大約是150 W/m·K，和BeO、AlN一樣具有很高的導(dǎo)熱性。一般來(lái)說(shuō)導(dǎo)熱率取決于碳化硅結(jié)晶顆粒中雜質(zhì)的含量，雜質(zhì)越少導(dǎo)熱率越高。

剛性(彈性率)：碳化硅陶瓷的彈性率很高，超過(guò)400 GPa，僅次于碳化硼(B4C)，是不銹鋼(約200 GPa)的2倍。用比重除以彈性率為比剛性(相當(dāng)于單位重量的彈性率)，與其他陶瓷和金屬相比是非常大的，作為結(jié)構(gòu)材料使用對(duì)于減重很有效果。

導(dǎo)電性：從半導(dǎo)性到絕緣性，導(dǎo)電性很寬泛。利用艾奇遜法生產(chǎn)的碳化硅粉末含有固溶N，所以具有半導(dǎo)性，體積電阻涉及范圍很廣。傳導(dǎo)性與固溶N量息息相關(guān)，通過(guò)控制N量可以絕緣。用于功率半導(dǎo)體的碳化硅晶片是利用N的原液來(lái)控制導(dǎo)電性。

碳化硅的用途：

耐火材料

在耐火材料應(yīng)用方面，面向粗鋼生產(chǎn)的占絕大多數(shù)，據(jù)推測(cè)耐火材料中使用的碳化硅粉末大約80%是面向粗鋼生產(chǎn)。其中，多數(shù)是在不定形耐火材料中使用，主要用于高爐出鐵溝用Al2O3-SiC-C材質(zhì)的配料。出鐵溝材料分為金屬料和渣料，使用碳化硅比例高的是渣料(金屬料：SiC配入量10%～20%;渣料：SiC配入量40%～60%)。作為耐火磚，粗鋼生產(chǎn)中混鐵車使用Al2O3-SiC-C質(zhì)磚，高爐爐墻使用碳化硅質(zhì)磚。除了粗鋼生產(chǎn)外，焚燒爐也使用碳化硅質(zhì)磚。

脫氧和加碳材料(煉鐵、鑄造等)

面向煉鐵和鑄造行業(yè)一般是為了加碳、加硅、升溫、脫氧的目的而使用的。作為硅源使用時(shí)是與硅鐵競(jìng)爭(zhēng)，但是使用碳化硅時(shí)具有的優(yōu)點(diǎn)是：物理性好(提高抗拉強(qiáng)度和切削性等);雜質(zhì)(Al、S、N)少;碳化硅90%的場(chǎng)合硅量是63%,C量是27%左右，具有加碳效果(合格率是因生產(chǎn)方法而異，理論上用碳化硅能夠補(bǔ)充加碳材料的1/3)。作為碳源使用時(shí)是與加碳材料(固定碳90%以上)競(jìng)爭(zhēng)。使用碳化硅可以期待能夠削減成本。坩堝感應(yīng)爐(高頻、低頻)使用的產(chǎn)品形狀是顆粒狀，沖天爐使用的是壓球狀，在熔煉之前和鐵屑等一起投放到爐子中進(jìn)行熔化。

研磨材料(顆粒磨料、固體磨石)

碳化硅分為黑碳化硅和綠碳化硅，作為顆粒磨料和固體磨石的原料使用。

陶瓷(機(jī)械零件)

除了具有很高的耐熱性和耐蝕性外，碳化硅還具有很高的比剛性，作為金屬(不銹鋼等)的替代材料也可用于半導(dǎo)體生產(chǎn)裝置的零部件。利用其熱膨脹低、剛性高的特性作為超精密定位裝置的材料使用。碳化硅滑動(dòng)性好，在受熱和腐蝕環(huán)境中可作為密封材料(機(jī)械密封)使用。

過(guò)濾器

可作為清除柴油車尾氣顆粒物的過(guò)濾器原料使用。由于捕集到的顆粒物需要定期燃燒清理，溫度很高，所以要求具有耐熱性，故使用碳化硅。

填料(放熱、耐磨等)

利用高導(dǎo)熱性的特性，應(yīng)用于放熱材料。具體用法有金屬和樹(shù)脂添加碳化硅制成復(fù)合材料以及添加碳化硅提高漆面耐磨性等。例如，在Al中添加碳化硅，因?yàn)樘蓟鑼?dǎo)熱率高，所以導(dǎo)熱率保持著接近Al的特性;而由于添加了熱膨脹率小的碳化硅，熱膨脹率小于Al，還具有通過(guò)添加量任意調(diào)整熱膨脹量的優(yōu)點(diǎn)。

基板(功率半導(dǎo)體)

與硅晶片相比，最近特別引人關(guān)注的是用于高溫下的寬帶半導(dǎo)體晶片，尤其是功率半導(dǎo)體晶片。現(xiàn)在正期待在EV等上面實(shí)際應(yīng)用。

碳化硅的生產(chǎn)

碳化硅分子式為SiC，是硅的碳化物。我國(guó)冶煉碳化硅主要有兩種方法，一種是新料法，另一種是焙燒料法。在新材料法中，把新料（硅砂和石油焦）直接裝入爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)進(jìn)行熔煉。在焙燒料法中，新料首先裝入爐底和兩側(cè)的保溫區(qū)域進(jìn)行焙燒，得到的焙燒料裝入下一爐的反應(yīng)區(qū)域進(jìn)行熔煉。其中焙燒料法又分兩種：一種方法是只在爐底裝載新料進(jìn)行焙燒，這被稱為爐底焙燒法，中國(guó)許多工廠都采用這種方法。另一種是在爐底和兩側(cè)同時(shí)裝填新料進(jìn)行焙燒，稱為全焙燒料法。很少有工廠采用這種方法。新料法顏料質(zhì)量波動(dòng)小，爐料配方相對(duì)穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量也相對(duì)穩(wěn)定。在焙料法中，利用爐內(nèi)溫度部分去除焙料區(qū)域新料中的揮發(fā)物，從而使硅砂和石油焦聚合成透氣性良好的多孔顆粒。綠爐的焙燒料還含有一定量的食鹽，這些食鹽從反應(yīng)材料中擴(kuò)散出來(lái)。將焙料返回到爐中可以增加爐產(chǎn)量，降低單位產(chǎn)品的功耗，并使用更少或不使用木屑。當(dāng)用于在綠爐中制備反應(yīng)材料時(shí)，它可以比原料添加更少的鹽。焙燒法的缺點(diǎn)是爐料輸送量大，成分波動(dòng)大，取樣和分析工作量增加，每個(gè)爐的配方都必須改變。

硅源：將SiO2作為硅源使用，具體是使用硅石和硅砂。硅砂的特點(diǎn)是純度高(雜質(zhì)少)，尤其是Al濃度很低。綠碳化硅是使用硅砂為原料，黑碳化硅是使用硅石為原料。但是考慮質(zhì)量和生產(chǎn)性，近年來(lái)黑碳化硅原料中也增加了硅砂的使用比例。所用的硅石和硅砂其SiO2純度在99%以上，均是海外進(jìn)口。

碳源：一般使用油焦作為碳源，使用硫含量少的低硫油焦，也是從海外進(jìn)口。

碳化硅的等級(jí)表示方法有多種，含量98%以上、97%以上、95%以上、90%以上、85%以上等。在YDK 95%以上是1級(jí)，85%以上是2級(jí)。越往外，溫度越低，碳化硅的生成比例越低。生成的結(jié)晶相所經(jīng)歷的變化：1級(jí)以6H(6周期六方晶系)為主，2級(jí)為15R(15周期菱方晶系)、4H(4周期六方晶系)，數(shù)量峰值變大等。外側(cè)的未反應(yīng)層起到隔熱層的作用。

黑碳化硅和綠碳化硅

碳化硅多數(shù)分為黑碳化硅和綠碳化硅。純碳化硅是無(wú)色透明的，由于雜質(zhì)(Al和N等)固溶而變成黑色和綠色，雜質(zhì)越多，顏色越黑。中國(guó)黑碳化硅和綠碳化硅都是使用硅石生產(chǎn)，其中綠碳化硅為了除去Al而添加鹽。除了中國(guó)外，歐洲等國(guó)家的黑碳化硅是使用硅砂生產(chǎn)，化學(xué)成分已經(jīng)接近綠碳化硅。因?yàn)楣枭笆俏⒎郏c使用硅石的場(chǎng)合相比，反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的氣體更加難以排除。

電力單耗

電力單耗為6 000～10 000 kW/h·t-1。黑碳化硅電力單耗小，綠碳化硅單耗大。單耗存在差異的原因是，綠碳化硅質(zhì)量要求高，2級(jí)品沒(méi)有當(dāng)作產(chǎn)品，所以每爐的收貨量少，結(jié)果造成電力單耗大。另外，生產(chǎn)需要消耗大量的電力，電力成本高，在電力單價(jià)高的地區(qū)，依靠購(gòu)電生產(chǎn)的產(chǎn)品一直在減少。

Al的影響

生成4H相是根據(jù)碳化硅結(jié)晶中的鋁含量而發(fā)生變化的。鋁含量多，4H相的含量則多，不含鋁則看不到4H相。鋁多數(shù)是原料中殘留的，特別是硅源(硅石等)含有的鋁大多數(shù)原封不動(dòng)殘留下來(lái)。為了提高碳化硅純度，有時(shí)要進(jìn)行強(qiáng)酸處理，但是鐵等金屬元素?zé)o法除掉，要完全清除固溶在結(jié)晶內(nèi)的鋁是非常困難的。

顏色和雜質(zhì)

碳化硅具有代表性的結(jié)晶相是6H型，一般來(lái)說(shuō)純粹的6H型碳化硅是無(wú)色透明的，市場(chǎng)上實(shí)際銷售的碳化硅有各種顏色(多數(shù)是黑色和綠色)。顏色是受雜質(zhì)影響的，其中純度高的看起來(lái)是綠色，它來(lái)源于氮等雜質(zhì)原子而產(chǎn)生的雜質(zhì)成分。表4列出了碳化硅結(jié)晶相中的微量成分和顏色的關(guān)系。

產(chǎn)品中的F-Si

在中心電極的高溫部位存在反應(yīng)時(shí)生成的少量硅(表5)。如圖9所示，接近爐子中心部位的1級(jí)品的硅含量多于2級(jí)品。作為耐火原料使用時(shí)，有時(shí)是不希望存在硅的。