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碳化硅陶瓷的特点与用途?

作者:XYC 时间:2022-08-21 分类:行业新闻
研磨盘是半导体工业中超大规模集成电路用硅晶片生产的重要工艺装备通常使用的铸铁或碳钢研磨盘的使用寿命短热膨胀系数大,在加工硅晶片过程中特别是在高速研磨或抛光时,由于研磨盘的磨损和热变形,使硅晶片的陶瓷的研磨盘由于硬度高而磨损小,且热膨面度和平行度难以保证。

一、SIC陶瓷的显著特点

低密度、高弹性模量;高强度,特别是高温强度高、高温蠕变小;高硬度和低的摩擦系数,具有优异的耐磨损性能;低热膨胀系数、高热导率吗,具有优良的抗热冲击性;化学稳定性好;耐腐蚀性能优异;电阻率大小通过纯度和掺杂来调控,具有半导体性能。

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二、SIC陶瓷主要用途:

作为性能优异的结构陶瓷和高温材料,碳化硅陶瓷已在石油化工,钢铁冶金、机械电子、航空航天、能源环保、核能、汽车、高温窑炉等工业领域得到越来越多的应用。

(1)密封环,滑动轴承

无压烧结和反应烧结致密的碳化硅材料,因其优异耐磨性、高导热性、耐高温和耐腐蚀性,是制造密封环、滑动轴承及摩擦保护轴套的理想材料。可加工成各种形状而且尺寸精度和表面光洁度高的密封环,作为机械密封在许多苛刻的环境下使用。如在船舶、化工、冶金、石油、造纸工业中用于耐酸、耐碱泵的密封装置和滑动装置,具有气密性好、寿命长等特点,已得到广泛的应用。以Sic密封环在汽车水冷泵中的面密封应用为例。面密封主要提供转动界面的密封,防止在密封侧的液体或气体流到另 侧。 汽车发动机水冷的循环水泵装置,采用陶瓷环密封可避免水泵转动过程中水的渗漏,能够同时实现密封与滑动。过去常用Al,O,陶瓷制造,但现在采用siC材料,因为SiC比Al.O,硬度高、耐磨性好使用寿命长。类似的siC密封环在汽车空调压缩机上也得到应用。

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(2)防弹陶瓷

SiC陶瓷由于硬度高、密度小、防护性能较好和价格较低(与B,C陶瓷比较),在防弹装甲中应用具有- -定竞争优势。其防护性能优于Al2O3 陶瓷,虽略逊于B,C陶瓷(约为B,C陶瓷的70%~80%),但SiC陶瓷制造成本远低于B.C。目前,常压烧结SiC和反应烧结SiC陶瓷板特别适合用量大且防护装甲不能过厚过重的场合。如美国CERCOM,INC公司制备的高硬度、高韧性和高韦布尔模数(四点弯曲强度为580 MPa,断裂韧性Kxc为4.7 MPa●m1/2,韦布尔模数m=17)的SiC陶瓷是一种优异防弹材料。

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(3)喷嘴

在石油工业、能源环保宇航火箭和机械制造业等领域都需要使用各种喷嘴,见图8-13(g)。SiC陶瓷因具有比Al2O3和SiN陶瓷更高的硬度和抗热冲击性以及优良的耐腐蚀性,因而得到广泛应用。例如喷砂器用喷嘴,SiC陶瓷的使用寿命是Al,O,陶瓷的3.5倍。反应烧结、无压烧结和重结晶sic都可用作高温窑炉中燃烧器喷嘴和火电厂脱硫除尘用脱硫喷嘴。

(4)研磨盘

研磨盘是半导体工业中超大规模集成电路用硅晶片生产的重要工艺装备,通常使用的铸铁或碳钢研磨盘的使用寿命短热膨胀系数大,在加工硅晶片过程中,特别是在高速研磨或抛光时,由于研磨盘的磨损和热变形,使硅晶片的陶瓷的研磨盘由于硬度高而磨损小,且热膨面度和平行度难以保证。采用碳化硅磨抛光。最近几年来,硅晶片尺寸越来越大。系数与硅晶片基本相同,因而可以进行高速研陶瓷研磨盘将使硅晶片研磨质量和效率显茅,对硅晶片质量I效率提出了更高的要求,采用sic著提高,日本京瓷公司和东芝陶瓷公司以及美国卡博伦登(Carborundum)公司制造的SiC陶瓷瓷研磨盘, 直应用于半导体工业。图8130.(d)为半导体工业用SiC部件及放置硅片的SiC支架。

(5)高温热交换器

在许多情况下,比如在金属和玻璃熔窑、、煅烧炉和烧煤的炉中,放出的气体不仅温度高而且有腐蚀性,这就要求热交换器同时具有耐高温、、耐腐蚀和抗热震性,可承受大的热应力。对热交换器材料的另一性能要求是高热导 率,以使传热速率最大和热交换器效率最佳。sic具有高的热导率、优良的耐高温能力和耐腐蚀性以及较好的抗热震性,因此长久以来一直是工业热交换器的最主要材料。例如,钢锻造炉的Sic热交换器自1985 年投人使用已累计超过50万h,锆重熔炉采用SiC热交换器后可节省燃料38%。

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(6)热机部件

SiC陶瓷突出的高温强度和优良的抗高温蠕变能力以及抗热震性,使其成为火箭、飞机、汽车发动机和燃气轮机中热机部件的主要材料之-。如通用汽车公司研制的AGT100车用陶瓷燃气轮机采用SiC陶瓷用作燃烧室环、燃烧室简体导向叶片和涡轮转子等高温部件。这些siC部件主要通过反应烧结、无压烧结或热压烧结制备而成。由于SiC陶瓷韧性较差,因此在发动机或燃气轮机中主要作为静态热机部件使用。

(7)高温窑具

重结晶siC和固相常压烧结sc陶瓷,都是优异高温窑具材料,可以用作高温横梁、根棒、棚板,用体等,使用温度达到16如图83(6.)5元法国班(SANEGOBAIN)公司采用无压烧结SiC I陶瓷制作高温窑具的横梁,具有 自结合、细晶粒(<10 um)显

微结构特点,其高温强度和抗氧化性十分优异,在100C下抗弯强度维持400 MPa以上,1000湿蒸汽条件下,氧化增重远小于重结晶SiC和SiN,结合SiC陶瓷。