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一.材料结构、性能及应用关系

材料的结构主要有四个层次，依次为：1）原子结构；2）原子结合键；3）原子排列方式；4）相与组织。从材料理论观点来看，材料结构决定材料性能；而材料的性能决定了材料的应用方向（图1）。因而，材料结构上的根本性差异，使得陶瓷材料相对于有机高分子及金属等固体材料，在应用上有所侧重。

图1. 材料特定应用方向的根源

二.碳化硅(SiC)陶瓷结构及性能

陶瓷材料是由很强方向性和结合性共价键和离子键联接构成的，从而其表现出了高熔点、高硬度、良好化学稳定性及耐磨性等特点[1]。碳化硅陶瓷作为陶瓷材料其中之一，其Si-C共价键率达到88%[2]，展现了一般陶瓷材料优良性能。此外，也因本质结构原因，展现了特异优良性能。如图2所示，碳化硅陶瓷材料结构是Si/C双原子构成四面体；Si/C致其密度较小；相对其它陶瓷材料，碳化硅更是一种轻质陶瓷材料。而由Si/C两种原子构成碳化硅也具有低热膨胀系数、高导热系数和耐热震的性能特点[3]。

图2. 碳化硅四面体结构

三.碳化硅陶瓷的应用

得益于碳化硅陶瓷一系列优良性能，使得碳化硅陶瓷在现代很多工业领域中得到了应用[4]，主要集中在耐火材料、耐磨高温件、磨料模具和防弹装甲等四个方面（图3）。

图3. 碳化硅陶瓷材料现今应用方向

1）耐火材料：相对于磨料，碳化硅陶瓷在国外更多作为耐火材料；而我国也逐步扩大了碳化硅陶瓷在耐火材料方面上的应用。耐火材料碳化硅一般有三种牌号，各自应用方向如表1所示。

表1黑色碳化硅的牌号及其应用

2）耐磨高温件：由于碳化硅陶瓷具有高硬度、耐酸碱化学腐蚀、良好的耐磨损性和导热性，使得其常常被用于耐磨高温件，如：高温热交换器和轧钢机上的托辊。

3）磨料模具：碳化硅是除了金刚石和碳化硼后，硬度最大的材料；因此，在机械加工行业中，各种磨削用的砂布、砂轮、砂纸及各类磨料很多都是由碳化硅陶瓷材料制备而成的。

4) 防弹装甲：现代化防弹材料追求防弹效果好、材质轻和价格低廉三位一体；而碳化硅的高硬度、密度相对较小及价格低廉的特点，使得其在防弹装甲上大有作为。在坦克、船舰、战斗机、防弹头盔和防弹衣领域，都有碳化硅陶瓷的一席之地。

四.5G时代下的碳化硅陶瓷

好比人类进化伴随智力发展和工具使用的升级，1G到5G的移动通信革新大体是软件和硬件的升级（图4a）。作为学材料出身的笔者，更关注的是与5G发展相匹配相适应地关键材料（硬件）。5G时代的核心绕不过半导体芯片；而SiC作为最新的第三代半导体材料，助力于5G移动通信发展。5G时代的关键材料中，陶瓷材料也大有所作为[5]；那么，当SiC作为陶瓷材料时，能否在5G时代分一杯羹呢？结合5G时代关键材料特点及碳化硅陶瓷性能（图4b）,在这里对5G时代下碳化硅陶瓷可能应用浅谈一二。

图4-a. 5G移动通信进化史. 4-b. 推动碳化硅陶瓷材料在5G时代可能发展的三架马车.

1）手机电磁屏蔽材料：5G时代智能手机的内部芯片尺寸和间距越来越小，可以说集成化程度和信号传输密度高；这就导致手机内部的电磁干扰越发严重，故手机电磁屏蔽材料是5G时代智能手机不可或缺的组成部分。据报道，碳化硅陶瓷复合材料具有吸波特性[6]，加上它本身密度小和机械强度高,故有望作为5G智能手机内部小型轻量化的吸波器件。

2）手机导热散热材料：5G时代智能手机因功能越发强大，从而手机内部的芯片和模组集成化和密集化程度增大，从而导致半导体器件工作时产热急剧增加。而半导体器件失效关键原因之一就是热引发的，因此开发出配套良好的导热散热材料是十分迫切的。就导热散热陶瓷来讲，氧化铝陶瓷是目前最为成熟材料。不过，氧化铝陶瓷还是具有导热低与半导体芯片热膨胀系数相差大的缺点，容易累加内应力致芯片失效，故很难适应5G时代对导热散热材料的要求。而碳化硅陶瓷导热系数高，热膨胀系数小并且和芯片热膨胀系数匹配度极高；此外，如果5G时代，芯片材料使用的是最新一代的SiC半导体，热膨胀系数匹配度就趋于完美了。故，SiC陶瓷在5G时代的手机导热散热材料领域有良好的前景。

参考文献

[1]王伟礼.氮化硼纳米管制备及其对氧化铝和氮化硅陶瓷的强韧化作用[D].山东大学,2012.

[2]柴威，邓乾发，王羽寅等.碳化硅陶瓷的应用现状[J].轻工机械，2012,(30)4.

[3]李缨，黄凤萍，梁振海.碳化硅陶瓷的性能与应用[J].陶瓷，2007,(5).

[4]吴国荣.碳化硅陶瓷高效磨削钻孔及其质量控制[D].江苏科技大学，2017.

[5]新材料在线.一张图看懂5G时代10大关键材料及市场.

[6]孟庆聪.碳化硅陶瓷复合材料的制备及其吸波性能研究[D].天津大学，2015.