一.材料結構、性能及應用關系

材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)結構(gou)主(zhu)要有四個層次，依次為：1）原子結構(gou)；2）原子結合鍵(jian)；3）原子排列方式(shi)；4）相與(yu)組織。從材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)理論觀(guan)點來看，材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)結構(gou)決定材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)性(xing)能(neng)；而材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)性(xing)能(neng)決定了材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)應用方向（圖1）。因而，材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)結構(gou)上的(de)(de)根本性(xing)差異，使得陶瓷材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)相對于有機(ji)高分子及(ji)金屬(shu)等固體(ti)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，在應用上有所(suo)側(ce)重(zhong)。

圖1. 材(cai)料特定應用方向的根源

二.碳化硅(SiC)陶瓷結構及性能

陶瓷材料是由很強方向性和結合性共價鍵和離子鍵聯接構成的，從而其表現出了高熔點、高硬度、良好化學穩定性及耐磨性等特點[1]。碳化硅陶瓷作為(wei)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料(liao)其(qi)中之一，其(qi)Si-C共價鍵(jian)率達(da)到88%[2]，展現(xian)了(le)一般陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料(liao)優(you)(you)良性能。此外(wai)，也因本質結構(gou)(gou)原(yuan)因，展現(xian)了(le)特(te)異優(you)(you)良性能。如圖(tu)2所示，碳(tan)(tan)化硅陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料(liao)結構(gou)(gou)是Si/C雙原(yuan)子構(gou)(gou)成四面體；Si/C致其(qi)密度較(jiao)小(xiao)；相對(dui)其(qi)它陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料(liao)，碳(tan)(tan)化硅更是一種輕質陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料(liao)。而由Si/C兩種原(yuan)子構(gou)(gou)成碳(tan)(tan)化硅也具有(you)低熱膨脹系(xi)數(shu)、高導熱系(xi)數(shu)和耐熱震的性能特(te)點[3]。

圖2. 碳(tan)化硅四面體結構

三.碳化硅陶瓷的應用

得益于碳化硅陶瓷一系列優良性能，使得碳化硅陶瓷在現代很多工業領域中得到了應用[4]，主要集中在耐火材料、耐磨高溫件、磨料模具和防彈裝甲等四個(ge)方面（圖3）。

圖3. 碳化硅陶瓷(ci)材(cai)料現今應用方向(xiang)

1）耐火材(cai)料(liao)：相對于(yu)磨(mo)料(liao)，碳(tan)化硅陶瓷(ci)在(zai)國(guo)外(wai)更多作為耐火材(cai)料(liao)；而我國(guo)也逐步(bu)擴大了碳(tan)化硅陶瓷(ci)在(zai)耐火材(cai)料(liao)方面上的應用(yong)。耐火材(cai)料(liao)碳(tan)化硅一般有三種牌號(hao)，各自(zi)應用(yong)方向如表1所示。

表1黑(hei)色碳化硅的牌號及其應用

2）耐磨(mo)高溫件(jian)：由于碳化(hua)硅陶瓷具有高硬度、耐酸堿化(hua)學腐蝕(shi)、良(liang)好的耐磨(mo)損(sun)性和導熱性，使得其常常被(bei)用于耐磨(mo)高溫件(jian)，如(ru)：高溫熱交(jiao)換器和軋鋼(gang)機上(shang)的托(tuo)輥。

3）磨料模具：碳化硅是除了金剛石和碳化硼后，硬度最大的材料；因此，在機械加工行業中，各種磨削用的砂布、砂輪、砂紙及各類磨料(liao)很多都是(shi)由碳化硅陶(tao)瓷材料(liao)制備而(er)成的。

4) 防(fang)(fang)彈(dan)(dan)(dan)裝(zhuang)甲(jia)：現代化(hua)防(fang)(fang)彈(dan)(dan)(dan)材料追求防(fang)(fang)彈(dan)(dan)(dan)效(xiao)果(guo)好(hao)、材質輕(qing)和(he)(he)價(jia)格(ge)低(di)廉三位(wei)一體；而(er)碳(tan)化(hua)硅的(de)高硬度、密度相(xiang)對較小(xiao)及價(jia)格(ge)低(di)廉的(de)特點，使得其在(zai)防(fang)(fang)彈(dan)(dan)(dan)裝(zhuang)甲(jia)上大有作(zuo)為(wei)。在(zai)坦(tan)克、船艦、戰斗機、防(fang)(fang)彈(dan)(dan)(dan)頭盔(kui)和(he)(he)防(fang)(fang)彈(dan)(dan)(dan)衣(yi)領域，都有碳(tan)化(hua)硅陶瓷的(de)一席之地。

四.5G時代下的碳化硅陶瓷

好比人類進化(hua)伴(ban)隨智力發(fa)展和(he)工具使(shi)用的升(sheng)級，1G到5G的移動通(tong)信革新大(da)體是(shi)軟件(jian)和(he)硬件(jian)的升(sheng)級（圖(tu)4a）。作為(wei)(wei)學材料(liao)(liao)出身的筆者，更關(guan)注的是(shi)與5G發(fa)展相匹(pi)配相適(shi)應(ying)地關(guan)鍵(jian)(jian)材料(liao)(liao)（硬件(jian)）。5G時(shi)代(dai)(dai)(dai)(dai)的核心(xin)繞不過半導(dao)(dao)體芯片；而SiC作為(wei)(wei)最新的第三代(dai)(dai)(dai)(dai)半導(dao)(dao)體材料(liao)(liao)，助力于5G移動通(tong)信發(fa)展。5G時(shi)代(dai)(dai)(dai)(dai)的關(guan)鍵(jian)(jian)材料(liao)(liao)中，陶(tao)(tao)瓷(ci)材料(liao)(liao)也大(da)有所作為(wei)(wei)[5]；那么(me)，當SiC作為(wei)(wei)陶(tao)(tao)瓷(ci)材料(liao)(liao)時(shi)，能(neng)(neng)否在5G時(shi)代(dai)(dai)(dai)(dai)分一(yi)杯羹呢？結合5G時(shi)代(dai)(dai)(dai)(dai)關(guan)鍵(jian)(jian)材料(liao)(liao)特(te)點及(ji)碳(tan)化(hua)硅陶(tao)(tao)瓷(ci)性能(neng)(neng)（圖(tu)4b）,在這里對5G時(shi)代(dai)(dai)(dai)(dai)下碳(tan)化(hua)硅陶(tao)(tao)瓷(ci)可能(neng)(neng)應(ying)用淺談(tan)一(yi)二。

圖4-a. 5G移(yi)動通信進化史. 4-b. 推動碳化硅(gui)陶瓷材料在5G時代可能發展(zhan)的(de)三架馬車(che).

1）手機(ji)(ji)電(dian)磁(ci)屏(ping)蔽(bi)材(cai)(cai)(cai)料：5G時代(dai)智能手機(ji)(ji)的(de)(de)內部(bu)芯片尺寸(cun)和間(jian)距越來越小，可以說(shuo)集(ji)成化程度(du)和信號傳輸密度(du)高(gao)；這就導致手機(ji)(ji)內部(bu)的(de)(de)電(dian)磁(ci)干擾越發嚴重，故手機(ji)(ji)電(dian)磁(ci)屏(ping)蔽(bi)材(cai)(cai)(cai)料是5G時代(dai)智能手機(ji)(ji)不可或缺的(de)(de)組(zu)成部(bu)分。據(ju)報道(dao)，碳化硅陶瓷復合材(cai)(cai)(cai)料具(ju)有(you)吸波(bo)特性[6]，加上它(ta)本身密度(du)小和機(ji)(ji)械強度(du)高(gao),故有(you)望作(zuo)為5G智能手機(ji)(ji)內部(bu)小型(xing)輕量(liang)化的(de)(de)吸波(bo)器件。

2）手機(ji)(ji)導(dao)熱(re)(re)(re)散熱(re)(re)(re)材(cai)料(liao)(liao)(liao)：5G時(shi)(shi)代(dai)(dai)智能(neng)(neng)手機(ji)(ji)因(yin)(yin)功能(neng)(neng)越發(fa)強(qiang)大(da)(da)，從而手機(ji)(ji)內部的(de)(de)芯片(pian)和(he)模(mo)組(zu)集(ji)成化(hua)和(he)密集(ji)化(hua)程度(du)增(zeng)大(da)(da)，從而導(dao)致半導(dao)體(ti)器(qi)(qi)件工作(zuo)時(shi)(shi)產熱(re)(re)(re)急劇增(zeng)加(jia)。而半導(dao)體(ti)器(qi)(qi)件失(shi)效關鍵原因(yin)(yin)之(zhi)一(yi)就是(shi)熱(re)(re)(re)引(yin)發(fa)的(de)(de)，因(yin)(yin)此(ci)開發(fa)出(chu)配(pei)(pei)套良好(hao)的(de)(de)導(dao)熱(re)(re)(re)散熱(re)(re)(re)材(cai)料(liao)(liao)(liao)是(shi)十分迫切(qie)的(de)(de)。就導(dao)熱(re)(re)(re)散熱(re)(re)(re)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)來(lai)講，氧(yang)(yang)化(hua)鋁(lv)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)是(shi)目前最為成熟材(cai)料(liao)(liao)(liao)。不過(guo)，氧(yang)(yang)化(hua)鋁(lv)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)還是(shi)具有導(dao)熱(re)(re)(re)低與(yu)半導(dao)體(ti)芯片(pian)熱(re)(re)(re)膨脹系(xi)數(shu)相(xiang)差大(da)(da)的(de)(de)缺點，容易累加(jia)內應力致芯片(pian)失(shi)效，故很難適應5G時(shi)(shi)代(dai)(dai)對導(dao)熱(re)(re)(re)散熱(re)(re)(re)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)要求。而碳化(hua)硅陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)導(dao)熱(re)(re)(re)系(xi)數(shu)高，熱(re)(re)(re)膨脹系(xi)數(shu)小并且和(he)芯片(pian)熱(re)(re)(re)膨脹系(xi)數(shu)匹(pi)配(pei)(pei)度(du)極高；此(ci)外，如果5G時(shi)(shi)代(dai)(dai)，芯片(pian)材(cai)料(liao)(liao)(liao)使(shi)用的(de)(de)是(shi)最新一(yi)代(dai)(dai)的(de)(de)SiC半導(dao)體(ti)，熱(re)(re)(re)膨脹系(xi)數(shu)匹(pi)配(pei)(pei)度(du)就趨(qu)于完美(mei)了。故，SiC陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)在5G時(shi)(shi)代(dai)(dai)的(de)(de)手機(ji)(ji)導(dao)熱(re)(re)(re)散熱(re)(re)(re)材(cai)料(liao)(liao)(liao)領域有良好(hao)的(de)(de)前景。

參考文獻

[1]王(wang)偉禮(li).氮化(hua)硼納米管(guan)制(zhi)備及其對(dui)氧(yang)化(hua)鋁和氮化(hua)硅陶(tao)瓷的強韌化(hua)作用[D].山東大學(xue),2012.

[2]柴(chai)威，鄧(deng)乾發(fa)，王羽寅(yin)等.碳(tan)化硅陶瓷的應用現狀[J].輕工機(ji)械，2012,(30)4.

[3]李(li)纓，黃(huang)鳳萍，梁振海.碳化(hua)硅陶瓷的性能與應用[J].陶瓷，2007,(5).

[4]吳國榮.碳化(hua)硅陶(tao)瓷高效磨(mo)削(xue)鉆孔及其(qi)質量控制[D].江蘇科(ke)技大學，2017.

[5]新(xin)材料在(zai)線.一張圖看懂(dong)5G時代(dai)10大關(guan)鍵材料及(ji)市(shi)場.

[6]孟慶聰.碳化硅陶(tao)瓷復合材料的制備(bei)及其吸波性(xing)能研究[D].天(tian)津大學(xue)，2015.