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發布時間:2021-08-12 19:58  
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第三代半導體材料,主要代表碳化硅和氮化相對于前兩代半導體材料而言,在高溫、高壓、高頻的工作環境下有著明顯的優勢。
碳化硅早在1842年就被發現了,直到1955年才開發出生長碳化硅晶體材料的方法,1987年商業化生產的的碳化硅才進入市場,21世紀后碳化硅的商業應用才算鋪開。
與硅相比,碳化硅具有更高的禁帶寬度,禁帶寬度越寬,臨界擊穿電壓越大,高電壓下可以減少所需器件數目。具有高飽和電子飄逸速度,制作的元件開關速度大約是硅的3-10倍,高壓條件下能高頻操作,所需的驅動功率小,電路能量損耗低。具有高熱導率,可減少所需的冷卻系統,也更適用于高功率場景下的使用,一般的硅半導體器件只能在100℃以下正常運行,器件雖然能在200℃以上工作,但是效率大大下降,而碳化硅的工作溫度可達600℃,具有很強的耐熱性。并且混合SIC器件體積更小,工作損耗的降低以及工作溫度的上升使得集成度提高,體積減小。
一般來說,碳化硅耐火材料具有多方面的優良性能,例如,在比較寬的溫度范圍內具有高的強度、高的抗熱震性、優良的耐磨性能、高的熱導率、耐化學腐蝕性等。不過,也應看到,它的弱點是能力差,由此而造成高溫積脹大、變形等降低了使用壽命。
為了提高碳化硅耐火材料的性能,在結合劑方面做了不少的選擇工作。使用粘土(包括氧化物)結合,但并未能起到保護作用,碳化硅顆粒仍然受到氧化和侵蝕。50年代末,選擇用氮化硅(Si3N4)結合,作為碳化硅耐火材料的改進產品,確實具有很好的性(見圖1),且無顯著的膨脹現象。但是價格較貴;加之在反復加熱冷卻時有突然破壞的可能;而氮化硅本身的網絡結構帶有滲透性,不能從根本上保護碳化硅不被氧化。60年代初,又出現了用氧氮化硅(Si2ON2)結合的碳化硅耐火材料,比之氮化硅結合具有更好的性能,因為氧氮化硅粘附于碳化硅表面的氧化硅薄膜,并與其反應形成和碳化硅牢固結合的連續保護膜。同時,這種材料的價格適當,相當于用氧化物結合的碳化硅材料。

在航空領域的應用
碳化硅制作成碳化硅纖維,碳化硅纖維主要用作耐高溫材料和增強材料,耐高溫材料包括熱屏蔽材料、耐高溫輸送帶、過濾高溫氣體或熔融金屬的濾布等。用做增強材料時,常與碳纖維或玻璃纖維合用,以增強金屬(如鋁)和陶瓷為主,如做成噴氣式飛機的剎車片、發動機葉片、著陸齒輪箱和機身結構材料等,還可用做體育用品,其短切纖維則可用做高溫爐材等。
碳化硅粗料已能大量供應,但是技術含量極高 的納米級碳化硅粉體的應用短時間不可能形成規模經濟。碳化硅晶片在我國研發尚屬起步階段,碳化硅晶片在國內的應用較少,碳化硅材料產業的發展缺乏下游應用企業的支撐。就人才培養和技術研發等開展密切合作;加強企業間的交流,尤其要積極參加國際交流活動,提升企業發展水平;關注企業品牌建設,努力打造企業的拳頭產品等。


碳化硅的原料有石英砂、石油焦等,又叫金剛砂,化學結構為六方形晶體,通常比重為 3.2,硬度較大,平均為3000kg/mm2。碳化硅具有很多優點,如導熱系數高、膨脹系數小、體積小和強度高等。碳化硅涂層被電磁波影響,從而產生感應電流,應電流易受電磁場影響改變方向,同時由于材料的高電阻阻礙,電磁波的能量會變為熱量散失,即能量消耗,這樣雷達等電子設備的信號大大減弱,這種現象稱為吸波性能。
不同類型的碳化硅材料具有不同的吸波能力。例如,異形截面的碳化硅與邊界規則的碳化硅截面具有不同的吸波性能,不同碳化硅的表面曲率不同,其電荷聚集的能力也不同,通常曲率較小則容易聚集電荷。另外,不同厚度的涂層對吸波性能也有不同的影響。
