碳化硅 - 重量最轻、硬度最高、导热性最强的陶瓷

碳化硅是当今最轻、最硬、导热性最强的陶瓷材料之一。它能在高温下保持强度，同时具有很强的耐酸碱性。.

天然莫桑石极为罕见，因此市面上大多数碳化硅都是人工合成的。碳化硅有两种形态，一种是绿色或饼干状，用于铣削成复杂形状，另一种是烧结和反应结合，用于烧结结合应用。.

导热系数 (k)

碳化硅出色的导热性能使其能够有效控制电力电子元件产生的高热量，同时消散因内阻和传导损耗而产生的焦耳热。此外，碳化硅的热膨胀系数低、硬度高，因此特别适用于光学应用，如大型天文望远镜的反射镜。.

碳化硅（SiC）是一种声波晶体，其热导率（k）与温度密切相关。纯碳化硅单晶的室温值可超过 490 W m-1K-1；而在多晶碳化硅陶瓷中，由于晶格杂质和晶界结构缺陷，以及在含铝添加剂的 LPSed 碳化硅中，铝原子可溶解到碳化硅晶粒中，形成导电率降低的固溶体或次相，因此碳化硅的室温值要低得多。.

本研究报告的晶圆级独立 3C-SiC 块状晶体的各向同性 k 值超过 500 W m-1K-1，比市面上的 6H-SiC 和 AlN 材料高出 50% 以上，在大晶体材料中排名第二。它们的高面内 k 值可归因于使用 TDTR 测量法测得的短声子平均自由路径；它们的非单调温度依赖性进一步支持了它们的强掺杂性。.

导热系数 (T)

碳化硅（SiC）是一种由硅和碳组成的无机化合物。碳化硅是一种无机化学化合物，由硅和碳组成。碳化硅天然存在于稀有矿物莫桑石中，自 1893 年以来，碳化硅一直以粉末状和单晶体的形式进行工业化生产，用作高压/高温半导体炉的磨料和陶瓷板，如晶圆托盘支架/垫片等。此外，由于其化学纯度高、抗热侵蚀能力强、高温下强度高，因此被广泛用于变阻器（温度可变电阻器/变阻器/压敏电阻器/等）等电气设备中。.

在氧化铝、氧化锆和二氧化钛等工业陶瓷中，碳化硅因其相对较高的热导率而脱颖而出。在室温下测量纯单晶体碳化硅的热导率时，其热导率值介于金刚石和铜之间，远高于硅。.

由于具有独特的振动模式，SiC 通常被称为声子晶体。由于具有较低的平均自由路径和短波长声子，其热导率使其成为传热最快的材料之一。然而，材料中的杂质和结构缺陷会降低其热导率，这一点已在实验中得到证实；这种效应可通过卡拉韦-霍兰德模型来模拟，该模型考虑到了孔洞间狭窄造成的热阻。.

导热系数 (T2)

碳化硅是当今最轻、最硬、导热性能最好的陶瓷材料之一。碳化硅对酸、碱和熔盐具有化学惰性，在极高温度下具有很强的耐腐蚀性，同时还具有超强的物理强度、低导热性和膨胀系数等特点，因此碳化硅适用于高温下的许多应用。.

碳化硅具有简单的晶体结构和极高的比热等级，是用于大功率电力电子、光电子和量子计算应用的理想材料；然而，这些技术产生的局部热通量会导致设备温度升高和性能下降，使热管理成为一项持续的挑战。.

因此，极高的导热界面是使用碳化硅制造设备性能的关键。由于 3C-SiC 材料中的原子排列呈鱼骨状，其声子平均自由路径（MFP）非常高，因此与传统半导体相比，具有更高的热传导性。.

化学气相沉积碳化硅的高热导率更加引人注目；它是通过化学气相沉积法生产的，具有极其纯净的面心立方多晶结构，据报道，其热导率是烧结或反应结合碳化硅的两倍；事实上，在合成生长的材料中，化学气相沉积碳化硅是热导率最高的材料之一。.

导热系数 (T3)

碳化硅是一种硬度极高、耐化学腐蚀的陶瓷材料，具有优异的导热性和抗热震性，因此适用于半导体制造等高温应用领域。碳化硅具有极高的硬度、抗疲劳性和化学惰性，因此长期以来被广泛应用于冶金、耐火材料、陶瓷和半导体行业。.

莫桑石只能在某些类型的陨石和刚玉矿床中找到微量的天然莫桑石，但却可以在熔炉中进行商业生产。这种物质可以通过各种技术合成--例如将碳溶解到熔融硅石中、熔化粘土（硅酸铝）、焦炭粉和焦炭粉混合物、将碳溶解到液态硅石中或熔化粘土（硅酸铝）与焦炭粉的混合物；也可以通过电炉燃烧硅碳组合来生产，其天然颜色从深棕色到黑色不等，但也可以染成蓝色，作为名为莫桑石的宝石出售。.

3C-SiC 的热导率相对较高，约为 620 Wm-1 K-1，几乎是金刚石的十倍。如图 4 所示，这可归因于其相对较低的扩散表面散射率限制了声子 MFP。此外，这里测得的膜和纳米线分布与其极限尺寸相对应，表明它们与通过体 MFP 累加函数41 和 42 获得的值相吻合。.