论常压烧结碳化硅SSiC在特种装备领域的应用

碳化硅作为新型无机非金属陶瓷材料，具备出色的高温力学强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨性、高导热性、耐腐蚀性等诸多性能，目前被广泛应用于高温窑具、燃烧喷嘴、热交换器、密封环、滑动轴承等传统工业领域，还可作为防弹装甲材料、空间反射镜、半导体晶圆制备中夹具材料及核燃料包壳材料[1]。

一、常压烧结碳化硅

碳化硅产品的一般生产工艺按照顺序分为了粉体制备、坯体成型、高温烧结和机械精加工。目前，我国碳化硅冶炼及粉体制备的数量在全世界范围内占有最高份额，主要以用于耐火材料、磨料磨具、精细陶瓷的碳化硅粉体为主[1]。碳化硅特殊的晶体结构和强共价键特性造就了其优异性能的同时，也使得材料在烧结时扩散速率很低，显著提高了烧结难度，即使在高温条件下也不易形成高致密化的产品[2]。

常压烧结碳化硅（又称无压烧结碳化硅，SSiC）由于在保持优异性能的同时，又兼顾了生产成本，成为碳化硅家族中的一颗明珠。近年来，在我国诸多行业特别是特种装备领域，SSiC材料得到越来越多的重视和应用，正在成为我国重大型号关重件生产必不可少的核心材料。

二、碳化硅/常压烧结碳化硅在全球的应用现状

碳化硅，尤其是常压烧结碳化硅这种具备优异性能的无机非金属材料，早已在国外得到了普遍应用，在航天、半导体、新能源等关键领域都能看到这种材料发挥着极其重要的作用。

（一）航天领域

在航天领域，常压烧结碳化硅在航天器的结构、热保护、导热、气动热防护等方面应用非常广泛。常压烧结碳化硅在航天器结构中具有重量轻、高强度和耐高温的特性，因此被广泛应用于航天器的结构件制造，它还可以用于制造航天器的热防护板、航天器外壳等。常压烧结碳化硅在航天器的热保护中具有出色的性能。它可以承受极高的温度和热冲击，并具有优异的导热性能和热稳定性。

（二）半导体领域

在半导体领域，碳化硅被广泛应用于功率电子器件、高温电子器件和射频（RF）器件等关键领域。碳化硅具有出色的高电子迁移率和高击穿电场强度，使其成为功率电子器件的理想材料。碳化硅的高温稳定性、耐腐蚀性、优异的高频特性和低损耗，也使其成为了高温电子器件和射频（RF）器件的理想材料。根据市场研究报告，碳化硅半导体领域的市场规模预计将在五年内以每年约25%以上的复合年增长率增长[3]。

（三）新能源领域

在新能源领域，常压烧结碳化硅被广泛应用于太阳能、风能、电动汽车和储能等关键领域。在电动汽车领域，常压烧结碳化硅功率模块已经应用于电动汽车的动力电子系统中，能够显著提高电动汽车的驱动效率和续航里程。在储能应用方面，常压烧结碳化硅材料作为锂离子电池的负极材料，具有高容量、高循环稳定性和高温稳定性，可以提高锂离子电池的能量密度和循环寿命，还可以赋予超级电容器高功率密度、高温稳定性和长寿命，能够实现快速充放电和高效能源转换[3]。

三、常压烧结碳化硅在我国的应用展望

在我国特种装备领域，常压烧结碳化硅同样具有广阔的应用前景。

（一）航天领域

在航天领域，我国航天器的发展需要高温、高强度、高稳定性的轻质材料，常压烧结碳化硅可以满足这些要求。根据中国航天科技集团公司发布的数据，我国国产化的碳化硅材料已成功应用于载人航天器的热防护系统和结构部件，提供了可靠的热保护能力和可靠的结构支撑及保护。

上世纪70 年代开始，国外已经开始使用碳化硅代替玻璃、金属等，作为空间反射镜的加工材料，近年来，我国对于SiC 材料的反射镜研究也取得了很大的进步，从材料的制备到光学加工等方面均有不同程度的提高[1]。

国外航天强国大多是从材料层面将耐高温、耐热震、耐腐蚀、耐辐照的碳化硅材料（尤其是常压烧结碳化硅SSiC）全面应用于光学系统，来保障太空恶劣的作业环境不会影响光学系统的精度，这也是业内常提到的“全冷态”结构。使用“全冷态”光学系统，除了提高有效载荷率以外，还可以有效实现系统减重。相关研究显示，航天器每减重1公斤，将节省发射成本约2万美元。我国航天光学载荷若采用全冷态设计可以显著降低整体发射成本，对我国争夺航天话语权具有极其重要的意义。

随着国产常压烧结碳化硅在我国航天领域不断的成功验证，越来越多的航天科研院所已经开始全面使用常压烧结碳化硅材料的镜体、结构支撑件、基板等，并从以往受制于国外先进材料，到现在已经逐步全面使用国产常压烧结碳化硅材料制作的高质量镜体，并将应用范围扩大到结构支撑件和基板。如今重点航天科研院所已经在逐步预研镜体和结构支撑件的一体化设计，优质的国产常压烧结碳化硅材料结合先进的一体化设计方案，再加上我国出色的工业批量化制程能力，必将有效降低应用常压烧结碳化硅材料的光学系统制作成本，显著降低我国的发射成本，可以与欧美航天强国一较高下。

（二）半导体领域

在半导体领域，我国半导体产业的快速发展同样需要高性能的材料来支持，实现先进制程芯片生产自主可控的目标。常压碳化硅陶瓷由于其高硬度、耐高温以及与硅晶片基本一致的热胀系数，可以在我国应用于研磨盘、夹具均等硅晶片生产过程中的重要工艺装备[1]。这些重要工艺装备及耗材（遮光板、真空吸盘、晶圆托盘等）长期依赖进口，容易遭到国外的材料封锁。如今以中科院光电技术研究所和中科院微电子研究所为代表的国内科研院所，依托国内优质的常压烧结碳化硅供应商，已经通过国产化常压烧结碳化硅突破了以往的“卡脖子”局面，在半导体重要工艺装备及耗材上实现了全面国产化。根据中国半导体行业协会的数据，我国半导体产业的发展速度快于全球平均水平，对常压烧结碳化硅的需求也将不断持续增长。

（三）新能源领域

在新能源领域，我国太阳能光伏、风能、电动汽车等产业的快速发展也需要优质的常压烧结碳化硅材料。以光伏产业中普遍使用的耗材高温坩埚为例，过往普遍使用的是原材料受限的高纯石英，包括方梁、辊棒等也始终依赖进口材料。目前国内第一梯队的光伏企业正在和国内的材料供应商一起研发以常压烧结碳化硅为代表的国产化材料，来突破国外的关键材料封锁。国产化材料热稳定性能好，无有害析出污染物，可以在高温窑炉环境下长时间稳定使用。根据中国可再生能源协会的数据，我国太阳能光伏产业的装机容量在不断增加，对常压烧结碳化硅等国产化材料的需求也将随之增加。

综上所述，常压烧结碳化硅在我国特种装备领域的应用前景广阔，具有较大的市场潜力。随着航天、半导体和新能源领域的快速发展，常压烧结碳化硅将在我国特种装备领域发挥重要作用，为各个关键领域的国之重器提供关键材料的有效保障，为实现国家的富强中兴提供强力支撑。

1.李辰冉，谢志鹏，康国兴，安迪，魏红康，赵林. 国内外碳化硅陶瓷材料研究与应用进展[J]. 硅酸盐通报，2020，39（5）：1353-1369.

2.王琨，冯荣，杨尚权，成龙胜，孟凡然，张艾丽.无压烧结SiC陶瓷研究进展[J].粉末冶金工业，2022，32（1）：93-99.

3.Chitranshi Jaiswal.Silicon Carbide Market Research Report，2024