一.材料結構、性能及應用關系

材料的結構主要有四個層次，依次為：1）原子結構；2）原子結合鍵；3）原子排列方式；4）相與組織。從材料理論觀點來看，材料結構決定材料性能；而材料的性能決定了材料的應用方向（圖1）。因而，材料結構上的根本性差異，使得陶瓷材料相對于有機高分子及金屬等固體材料，在應用上有所側重。

圖1. 材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]。碳化硅陶瓷作為陶瓷材料其中之一，其Si-C共價鍵率達到88%[2]，展現了一般陶瓷材料優良性能。此外，也因本質結構原因，展現了特異優良性能。如圖2所示，碳化硅陶瓷材料結構是Si/C雙原子構成四面體；Si/C致其密度較小；相對其它陶瓷材料，碳化硅更是一種輕質陶瓷材料。而由Si/C兩種原子構成碳化硅也具有低熱膨脹系數、高導熱系數和耐熱震的性能特點[3]。

圖2. 碳化硅四面體結構

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方面（圖3）。

圖3. 碳化硅陶瓷材料現今應用方向

1）耐火材料：相對于磨料，碳化硅陶瓷在國外更多作為耐火材料；而我國也逐步擴大了碳化硅陶瓷在耐火材料方面上的應用。耐火材料碳化硅一般有三種牌號，各自應用方向如表1所示。

表1黑色碳化硅的牌號及其應用

2）耐磨高溫件：由于碳化硅陶瓷具有高硬度、耐酸堿化學腐蝕、良好的耐磨損性和導熱性，使得其常常被用于耐磨高溫件，如：高溫熱交換器和軋鋼機上的托輥。

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、砂紙及各類磨料很多都是由碳化硅陶瓷材料制備而成的。

4) 防彈裝甲：現代化防彈材料追求防彈效果好、材質輕和價格低廉三位一體；而碳化硅的高硬度、密度相對較小及價格低廉的特點，使得其在防彈裝甲上大有作為。在坦克、船艦、戰斗機、防彈頭盔和防彈衣領域，都有碳化硅陶瓷的一席之地。

四.5G時代下的碳化硅陶瓷

好比人類進化伴隨智力發展和工具使用的升級，1G到5G的移動通信革新大體是軟件和硬件的升級（圖4a）。作為學材料出身的筆者，更關注的是與5G發展相匹配相適應地關鍵材料（硬件）。5G時代的核心繞不過半導體芯片；而SiC作為最新的第三代半導體材料，助力于5G移動通信發展。5G時代的關鍵材料中，陶瓷材料也大有所作為[5]；那么，當SiC作為陶瓷材料時，能否在5G時代分一杯羹呢？結合5G時代關鍵材料特點及碳化硅陶瓷性能（圖4b）,在這里對5G時代下碳化硅陶瓷可能應用淺談一二。

圖4-a. 5G移動通信進化史. 4-b. 推動碳化硅陶瓷材料在5G時代可能發展的三架馬車.

1）手機電磁屏蔽材料：5G時代智能手機的內部芯片尺寸和間距越來越小，可以說集成化程度和信號傳輸密度高；這就導致手機內部的電磁干擾越發嚴重，故手機電磁屏蔽材料是5G時代智能手機不可或缺的組成部分。據報道，碳化硅陶瓷復合材料具有吸波特性[6]，加上它本身密度小和機械強度高,故有望作為5G智能手機內部小型輕量化的吸波器件。

2）手機導熱散熱材料：5G時代智能手機因功能越發強大，從而手機內部的芯片和模組集成化和密集化程度增大，從而導致半導體器件工作時產熱急劇增加。而半導體器件失效關鍵原因之一就是熱引發的，因此開發出配套良好的導熱散熱材料是十分迫切的。就導熱散熱陶瓷來講，氧化鋁陶瓷是目前最為成熟材料。不過，氧化鋁陶瓷還是具有導熱低與半導體芯片熱膨脹系數相差大的缺點，容易累加內應力致芯片失效，故很難適應5G時代對導熱散熱材料的要求。而碳化硅陶瓷導熱系數高，熱膨脹系數小并且和芯片熱膨脹系數匹配度極高；此外，如果5G時代，芯片材料使用的是最新一代的SiC半導體，熱膨脹系數匹配度就趨于完美了。故，SiC陶瓷在5G時代的手機導熱散熱材料領域有良好的前景。

參考文獻

[1]王偉禮.氮化硼納米管制備及其對氧化鋁和氮化硅陶瓷的強韌化作用[D].山東大學,2012.

[2]柴威，鄧乾發，王羽寅等.碳化硅陶瓷的應用現狀[J].輕工機械，2012,(30)4.

[3]李纓，黃鳳萍，梁振海.碳化硅陶瓷的性能與應用[J].陶瓷，2007,(5).

[4]吳國榮.碳化硅陶瓷高效磨削鉆孔及其質量控制[D].江蘇科技大學，2017.

[5]新材料在線.一張圖看懂5G時代10大關鍵材料及市場.

[6]孟慶聰.碳化硅陶瓷復合材料的制備及其吸波性能研究[D].天津大學，2015.