碳化硅 又名：SiC

       碳化硅是一種半導體，在自然界中以極其罕見的礦物莫桑石的形式存在。自1893年以來已經(jīng)被大規(guī)模生產(chǎn)為粉末和晶體，用作磨料等。在C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅是應用最廣泛、最經(jīng)濟的一種，可以稱為金鋼砂或耐火砂。 中國工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體。

       碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。 碳化硅又稱碳硅石。在當代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅為應用最廣泛、最經(jīng)濟的一種?？梢苑Q為金鋼砂或耐火砂。 碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料在電阻爐內(nèi)經(jīng)高溫冶煉而成。目前我國工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。

結(jié)構(gòu)

　　英文名稱：silicon carbide,俗稱金剛砂。純碳化硅是無色透明的晶體。工業(yè)碳化硅因所含雜質(zhì)的種類和含量不同，而呈淺黃、綠、藍乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結(jié)構(gòu)分為六方或菱面體的 α-SiC和立方體的β-SiC（稱立方碳化硅)。α-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)中碳和硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成許多不同變體，已發(fā)現(xiàn)70余種。β-SiC于2100℃以上時轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiC。

　　碳化硅的工業(yè)制法是用優(yōu)質(zhì)石英砂和石油焦在電阻爐內(nèi)煉制。煉得的碳化硅塊，經(jīng)破碎、酸堿洗、磁選和篩分或水選而制成各種粒度的產(chǎn)品。

種類

　　碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個常用的基該品種，都屬α-SiC。①黑碳化硅含SiC約95%，其韌性高于綠碳化硅，大多用于加工抗張強度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等。②綠碳化硅含SiC約97%以上，自銳性好，大多用于加工硬質(zhì)合金、鈦合金和光學玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速鋼刀具。此外還有立方碳化硅，它是以特殊工藝制取的黃綠色晶體，用以制作的磨具適于軸承的超精加工，可使表面粗糙度從Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。

特性

　　碳化硅由于化學性能穩(wěn)定、導熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強度高，節(jié)能效果好。低品級碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學成分，提高鋼的質(zhì)量。此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。

　　碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），具有優(yōu)良的導熱性能，是一種半導體，高溫時能抗氧化。

　　碳化硅分類及性質(zhì)：

　　基本信息列表

　　中文名稱:碳化硅

　　中文別名:碳化硅晶須

　　英文名稱:Silicon Carbide (Black)

　　英文別名:Silicon Carbide Black; silanyliumylidynemethanide; methylsilane; carbon(+4) cation; silicon(-4) anion

　　CAS:409-21-2

　　EINECS:206-991-8

　　分子式：SiC

　　分子量:40.0962

　　碳化硅至少有70種結(jié)晶型態(tài)。α-碳化硅為最常見的一種同質(zhì)異晶物，在高于2000 °C高溫下形成，具有六角晶系結(jié)晶構(gòu)造（似纖維鋅礦）。β-碳化硅，立方晶系結(jié)構(gòu)，與鉆石相似，則在低于2000 °C生成，結(jié)構(gòu)如頁面附圖所示。雖然在異相觸媒擔體的應用上，因其具有比α型態(tài)更高之單位表面積而引人注目，但直至今日，此型態(tài)尚未有商業(yè)上之應用。

　　因其3.2的比重及高的升華溫度（約2700 °C），碳化硅很適合做為軸承或高溫爐之原料物件。在任何已能達到的壓力下，它都不會熔化，且具有相當?shù)偷幕瘜W活性。由于其高熱導性、高崩潰電場強度及高最大電流密度，在半導體高功率元件的應用上，不少人試著用它來取代硅[1]。此外，它與微波輻射有很強的偶合作用，并其所有之高升華點，使其可實際應用于加熱金屬。

　　純碳化硅為無色，而工業(yè)生產(chǎn)之棕至黑色系由于含鐵之不純物。晶體上彩虹般的光澤則是因為其表面產(chǎn)生之二氧化硅保護層所致。

歷史沿革

　　碳化硅是由美國人艾奇遜在1891年電熔金剛石實驗時，在實驗室偶然發(fā)現(xiàn)的一種碳化物，當時誤認為是金剛石的混合體，故取名金剛砂，1893年艾奇遜研究出來了工業(yè)冶煉碳化硅的方法，也就是大家常說的艾奇遜爐，一直沿用至今，以碳質(zhì)材料為爐芯體的電阻爐，通電加熱石英SIO2和碳的混合物生成碳化硅。

　　關(guān)于碳化硅的幾個事件

　　1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅

　　1907年 第一只碳化硅晶體發(fā)光二極管誕生

　　1955年 理論和技術(shù)上重大突破，LELY提出生長高品質(zhì)碳化概念，從此將SiC作為重要的電子材料

　　1958年 在波士頓召開第一次世界碳化硅會議進行學術(shù)交流

　　1978年 六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯(lián)進行研究。到1978年首次采用“LELY改進技術(shù)”的晶粒提純生長方法

　　1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生產(chǎn)線，供應商開始提供商品化的碳化硅基

產(chǎn)能情況

　　我國有碳化硅冶煉企業(yè)200多家，年生產(chǎn)能力220多萬噸（其中：綠碳化硅塊120多萬噸，黑碳化硅塊約100萬噸）。冶煉變壓器功率大多為6300~12500kVA，最大冶煉變壓器為32000kVA。加工制砂、微粉生產(chǎn)企業(yè)300多家，年生產(chǎn)能力200多萬噸。2012年，我國碳化硅產(chǎn)能利用率不足45%。約三分之一的冶煉企業(yè)有加工制砂微粉生產(chǎn)線。碳化硅加工制砂微粉生產(chǎn)企業(yè)主要分布在河南、山東、江蘇、吉林、黑龍江等省。

　　我國碳化硅冶煉生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備和單噸能耗達到世界領(lǐng)先水平。黑、綠碳化硅原塊的質(zhì)量水平也屬世界級。我國碳化硅與世界先進水平的差距主要集中在四個方面：一是在生產(chǎn)過程中很少使用大型機械設(shè)備，很多工序依靠人力完成，人均碳化硅產(chǎn)量較低；二是在碳化硅深加工產(chǎn)品上，對粒度砂和微粉產(chǎn)品的質(zhì)量管理不夠精細，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性不夠；三是某些尖端產(chǎn)品的性能指標與發(fā)達國家同類產(chǎn)品相比有一定差距；四是冶煉過程中一氧化碳直接排放。國外主要企業(yè)基本實現(xiàn)了封閉冶煉，而我國碳化硅冶煉幾乎全部是開放式冶煉，一氧化碳全部直排。2012年，我國企業(yè)開發(fā)出了封閉冶煉技術(shù)，實現(xiàn)了一氧化碳全部回收，但是距離全行業(yè)普及還有很長的路要走。

　　根據(jù)中國機床工業(yè)協(xié)會磨料磨具專委會碳化硅專家委員會的數(shù)據(jù)，截至2012年底，全球碳化硅產(chǎn)能達260萬噸以上，產(chǎn)能達到1萬噸以上的國家有13個，占全球總產(chǎn)能的98%。其中中國碳化硅產(chǎn)能達到220萬噸，占全球總產(chǎn)能的84%。

市場需求

　　我國碳化硅冶煉企業(yè)主要分布在甘肅、寧夏、青海、新疆、四川等地，約占總產(chǎn)能85%。

　　2012年在中國經(jīng)濟發(fā)展速度放緩的情況下，生產(chǎn)情況普遍不理想，加之光伏企業(yè)舉步維艱，碳化硅作為耐材、磨料和光伏行業(yè)的基礎(chǔ)原材料，出口和內(nèi)銷均大幅下滑。綠碳化硅微粉加工企業(yè)更是身陷光伏企業(yè)的債務鏈條，多數(shù)冶煉企業(yè)沒有開工，或者短暫開工后即停產(chǎn)。

應用領(lǐng)域

       碳化硅主要有四大應用領(lǐng)域，即：功能陶瓷、高級耐火材料、磨料及冶金原料。碳化硅粗料已能大量供應，不能算高新技術(shù)產(chǎn)品，而技術(shù)含量極高 的納米級碳化硅粉體的應用短時間不可能形成規(guī)模經(jīng)濟。

       ⑴ 作為磨料，可用來做磨具，如砂輪、油石、磨頭、砂瓦類等。

       ⑵ 作為冶金脫氧劑和耐高溫材料。

       ⑶ 高純度的單晶，可用于制造半導體、制造碳化硅纖維。

       主要用途：用于3-12英寸單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等線切割。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)、半導體產(chǎn)業(yè)、壓電晶體產(chǎn)業(yè)工程性加工材料。

       用于半導體、避雷針、電路元件、高溫應用、紫外光探測器、結(jié)構(gòu)材料、天文、碟剎、離合器、柴油微粒濾清器、細絲高溫計、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護具、催化劑載體等領(lǐng)域。

磨料磨具

       主要用于制作砂輪、砂紙、砂帶、油石、磨塊、磨頭、研磨膏及光伏產(chǎn)品中單晶硅、多晶硅和電子行業(yè)的壓電晶體等方面的研磨、拋光等。

化工

       可用做煉鋼的脫氧劑和鑄鐵組織的改良劑，可用做制造四氯化硅的原料，是硅樹脂工業(yè)的主要原料。碳化硅脫氧劑是一種新型的強復合脫氧劑，取代了傳統(tǒng)的硅粉碳粉進行脫氧，和原工藝相比各項理化性能更加穩(wěn)定，脫氧效果好，使脫氧時間縮短，節(jié)約能源，提高煉鋼效率，提高鋼的質(zhì)量，降低原輔材材料消耗，減少環(huán)境污染，改善勞動條件，提高電爐的綜合經(jīng)濟效益都具有重要價值。 

“三耐”材料

       利用碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強度大、導熱性能良好、抗沖擊等特性，碳化硅一方面可用于各種冶煉爐襯、高溫爐窯構(gòu)件、碳化硅板、襯板、支撐件、匣缽、碳化硅坩堝等。

       另一方面可用于有色金屬冶煉工業(yè)的高溫間接加熱材料，如豎罐蒸餾爐、精餾爐塔盤、鋁電解槽、銅熔化爐內(nèi)襯、鋅粉爐用弧型板、熱電偶保護管等；用于制作耐磨、耐蝕、耐高溫等高級碳化硅陶瓷材料；還可以制做火箭噴管、燃氣輪機葉片等。此外，碳化硅也是高速公路、航空飛機跑道太陽能熱水器等的理想材料之一。 

導熱材料

       SiC材料的導熱性與大多數(shù)介電固體一樣，主要受熱彈性波（稱為聲子）傳遞的影響。SiC 材料的導熱率主要取決于：1）燒結(jié)助劑的數(shù)量、化學計量比、化學性質(zhì)以及相關(guān)的晶界厚度和結(jié)晶度；2）晶粒尺寸；3）SiC 晶體中雜質(zhì)原子的類型和濃度；4）燒結(jié)氣氛；5）燒結(jié)后的熱處理等。

       SiC 具有高導熱、禁帶寬度大、電子飽和遷移速率高和臨界擊穿電場高等優(yōu)異性質(zhì)，其優(yōu)異的綜合性能彌補了傳統(tǒng)半導體材料與器件在實際應用中的不足，在電動汽車、手機 通信 芯片等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。由于 SiC 有著更高的可靠性、更高的工作溫度，更小的尺寸和更高的電壓承受能力等，可應用于主驅(qū)板、車載充電機和電源模塊等功率器件，從而可大幅度提高效率，給電動汽車增加續(xù)航能力。同時，SiC 具有良好的導熱性能，使用 SiC 半導體功率器件可以縮小電池尺寸以及更有效地轉(zhuǎn)換能量，從而降低總成器件的成本。SiC 陶瓷作為一種高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有優(yōu)異的熱性能，可廣泛應用于耐高溫、加熱與熱交換工業(yè)領(lǐng)域。

鋼鐵

       利用碳化硅的耐腐蝕，抗熱沖擊耐磨損，導熱好的特點，用于大型高爐內(nèi)襯提高了使用壽命。 

冶金選礦

       碳化硅硬度僅次于金剛石，具有較強的耐磨性能，是耐磨管道、葉輪、泵室、旋流器、礦斗內(nèi)襯的理想材料，其耐磨性能是鑄鐵、橡膠使用壽命的5-20倍也是航空飛行跑道的理想材料之一。 

節(jié)能

       利用良好的導熱和熱穩(wěn)定性，作熱交換器，燃耗減少20%，節(jié)約燃料35%，使生產(chǎn)率提高20-30%。

       磨料粒度及其組成按GB/T2477--83。磨料粒度組成測定方法按GB/T2481--83。

珠寶

       合成碳化硅（Synthetic Moissanite）又名合成莫桑石、合成碳硅石（化學成分SiC），色散0.104，比鉆石（0.044）大，折射率2.65-2.69（鉆石2.42），具有與鉆石相同的金剛光澤，“火彩”更強，比以往任何仿制品更接近鉆石。 

中國產(chǎn)地

       長白山脈、河南、河北石家莊靈壽縣、青海、甘肅、寧夏、新疆、四川、哈爾濱、湖南、貴州、湖北丹江口等地。

碳化硅半導體

       碳化硅半導體是一種由硅（Si）和碳（C）組成的化合物半導體材料，屬于寬帶隙（WBG）材料系列。以下是關(guān)于碳化硅半導體的詳細解析：

一、基本特性

       化學成分與結(jié)構(gòu)：碳化硅（SiC）是共價鍵晶體，有閃鋅礦型和鉛鋅礦型兩種結(jié)晶形式。其密度約為3.2g/cm3，熔點高達2830℃，本征電阻率在(1～0.7)Ω·cm之間，禁帶寬度在2.99～42.6eV范圍內(nèi)，電子遷移率可達300～900cm2/(V·s)，介電常數(shù)約為9.72～10.32。

       物理性能：碳化硅具有高禁帶寬度、高電導率、高熱導率、低通損耗等優(yōu)異性能，特別是其寬禁帶特性（約為硅的3倍）和高熱導率（約為硅的5倍），使得碳化硅器件能夠在高溫、高頻、高壓條件下工作，且具有較高的功率密度和較低的能量損耗。

二、產(chǎn)業(yè)鏈與應用

       產(chǎn)業(yè)鏈：碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈包括原材料、襯底、外延材料以及器件和模塊等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。上游主要原材料包括硅烷、氮化硼等，經(jīng)過加工后轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟?span id="czreopm" class="hrefStyle">硅襯底，進一步可以得到外延材料。外延片經(jīng)過光刻和蝕刻等精細步驟成為芯片，封裝后最后就成為了器件產(chǎn)品。

       應用領(lǐng)域：碳化硅半導體廣泛應用于新能源汽車、光伏、電網(wǎng)、5G通信、國防軍工、航空航天等領(lǐng)域。在新能源汽車領(lǐng)域，碳化硅功率器件（如MOSFET、SBD等）被用于主逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等關(guān)鍵部件，能夠顯著降低能量損耗、提高系統(tǒng)效率和可靠性。在光伏領(lǐng)域，碳化硅器件用于逆變器中，能夠提高轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。在電網(wǎng)領(lǐng)域，碳化硅器件用于高壓直流輸電（HVDC）、柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）等領(lǐng)域，能夠提高電網(wǎng)的靈活性和可靠性。

三、技術(shù)挑戰(zhàn)與市場前景

       技術(shù)挑戰(zhàn)：盡管碳化硅半導體具有諸多優(yōu)異性能，但其制備工藝復雜、成本高昂，仍是制約其大規(guī)模應用的主要因素。此外，碳化硅器件的封裝技術(shù)也面臨挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的硅功率器件封裝技術(shù)難以滿足碳化硅器件的高頻、高溫、高功率密度等特性要求。

       市場前景：隨著新能源汽車、光伏、智能電網(wǎng)等行業(yè)的快速發(fā)展，碳化硅半導體的市場需求持續(xù)增長。據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)顯示，2023年碳化硅功率元件市場規(guī)模達到22.8億美元，同比增長41.4%。預計到2026年，市場規(guī)模有望增長至53.3億美元。同時，國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)正加速國產(chǎn)替代進程，有望在全球市場中占據(jù)更大份額。

       綜上所述，碳化硅半導體作為一種新型的高性能半導體材料，在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應用潛力和市場前景。隨著技術(shù)的不斷進步和成本的逐步降低，碳化硅半導體有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應用。