SiC 的特性

SiC 由原子序数低、原子半径小、电正性高的元素组成，其键合具有高共价性（88%）。因此，SiC 具有：

• 极端硬度：位列已知材料硬度第四。

• 极高抗压强度：在纯陶瓷中首屈一指。

• 极高抗弯强度：对于陶瓷而言非常高。

• 高弹性模量。

• 高耐火性和抗氧化性。

• 高热强度和抗蠕变性。

• 由于低热膨胀系数和高导热性而具有高耐热冲击性。

• 优于硅的半导体材料。

• 比普通脆性陶瓷更坚韧。高韧性 SiC 复合材料也已被证明非常有效。

SiC 根据制造工艺分为几种主要类型：

• 热压 SiC：HPSC

• 直接烧结（无压烧结）SiC：DSSC

• 反应烧结（硅化）SiC：RSSC。

• 氮化硅结合 SiC：SNBSC

• 玻璃结合 SiC：GBSC

• 无定形“黑色玻璃”聚合物衍生陶瓷 SiC：PDC-SiC

• 单晶 SiC

在所有这些类型中，单晶 SiC 最接近 SiC 的理论特性；然而，这对于 SiC 陶瓷并不重要，因为单晶 SiC 仅用作半导体。在多晶 SiC 陶瓷类型中，HPSC 最接近 SiC 的理论特性。需要注意以下几点：

• 单晶 SiC： 最接近 SiC 的理论特性，是电子工业中非常重要的半导体材料。

• HPSC： 多晶 SiC 陶瓷中最佳的，兼具完全致密性、高纯度和最小晶粒生长的类型。HPSC 通常达到 100% 的致密度。

• DSSC： 通常不是完全致密的，密度通常在 93% 到 98% 之间，通常具有明显的晶粒生长。纯度从 1% 到 10% 不等，具体取决于它是固态烧结 (SSiC-DSSC) 还是液相烧结 (LPS-DSSC)。

• RSSC： 是一种完全致密的 SiC 陶瓷，但它不纯，在 SiC-SiC 连续多晶晶粒网络的孔隙结构中含有高达 25% 的硅。特性取决于硅含量，由密度表示。高密度版本在机械性能方面与 DSSC 相似，但生产成本只有其一半。

• SNBSC： 一种高孔隙率的 SiC 陶瓷，含有大量 Si3N4，因为它由 Si3N4 键合。它具有 SiC-Si3N4-SiC 键。其特性不代表致密纯 SiC，但它是一种低成本的 SiC，广泛用作耐火材料，有时也用于耐磨应用。

• GBSC： 一种易于制造的廉价 SiC，具有较差的冷热强度，主要用于粘合磨具和磨削毛刺，以及作为低级耐火材料。在其完全致密的金属纤维增强形式 (GBSC-CMC) 中，它是一种独特的耐爆高韧性装甲陶瓷。

• 无定形 PDC-SiC： 相关特性主要与其在 SiC-SiC (SiC 纤维增强 SiC 基体) 或纯 PDC-SiC 纤维 (通常称为 Nicalon) 中的作用有关。SiC-SiC 在热强度和高温腐蚀抗性方面可以超越高温合金，用于航空航天推进系统。

1 SiC 的机械性能

1.1 硬度

硬度是 SiC 的突出特性之一，也是其作为装甲陶瓷和耐磨陶瓷取得商业成功的重要因素。对于陶瓷装甲而言，硬度至关重要，因为装甲需要比穿透弹药硬得多，其中越来越包括碳化钨 (WC) 穿甲弹，它是所有穿甲弹中最硬的，其硬度如表 1 所示。SiC 的极端硬度、低密度以及比 B4C 低得多的成本使其成为当今世界主要的陶瓷装甲材料。它也是领先的耐磨陶瓷。

表1 各种类型 SiC 的硬度，附有相关参考材料进行比较

图 1 展示了碳化硅 (SiC) 的硬度，包括高纯度高密度 SiC 和低纯度高密度 SiC，以及比 SiC 硬的三种材料（金刚石、立方氮化硼 (c-BN) 和碳化硼 (B4C)），以及其他一些众所周知的硬质材料作为对比。纯净的 Al2O3 约为 99.9% 纯度，不纯净的 Al2O3 约为 85% 纯度。纯净的 SiC 约为 98% 纯度，不纯净的 SiC 约为 90% 纯度。“WC 低 Co”是一种硬质合金，约含 1% 钴金属。“WC 高 Co”约含 30% 钴金属。

硬度本质上是衡量一种材料被另一种材料穿透的抵抗力。因此，它是衡量抗表面压力的能力，单位为 GPa。陶瓷的硬度通常以显微硬度来测量，通过金刚石压头进行压痕测试，压头可以是球形（洛氏硬度）、方形锥体（维氏硬度）或菱形锥体（努普硬度）。纳米硬度则用纳米压头测量。压痕测试是在精确计量的牛顿载荷下进行，在测试试样表面产生微米尺寸的塑性压痕。然后，通过显微镜和刻度尺测量压痕尺寸，并根据公式（压力）=（测试校准常数）^3（载荷/面积）计算硬度（压力）。

SiC 是已知第四硬的材料，仅次于金刚石和立方氮化硼，略低于 B4C，如图 1 和表 1 所示。SiC 的独特之处在于，它是已知前四种最硬的材料中唯一一种制造成本相对较低的材料。它还具有 3.21 g/cm³ 的低密度优势，虽然不如 B4C 的 2.5 g/cm³ 低，但 B4C 的成本是 SiC 的两倍以上。 SiC 实际上是金刚石的类似物。有两种金刚石类似物，即立方氮化硼和 SiC。这两者都像金刚石一样，具有由高价小原子半径原子组成的共价晶体结构。

• 金刚石：基于相互连接的四价碳原子四面体的立方共价晶体结构。硬度为 42-49 GPa。

• 立方氮化硼 (BN)：硼是三价，氮是五价，位于周期表第二周期碳 (14 族) 的两侧 (13 族和 15 族)。硼和氮结合形成碳的类似物。六方 BN 与石墨直接类似，呈层状，具有润滑性。立方 BN (c-BN 也称为 β-BN) 具有类似于金刚石和 SiC 的闪锌矿结构。它也是一个共价网络结构，由相互连接的 BN4 和 B4N 四面体组成，取决于观察角度。c-BN 的硬度约为 40 GPa，仅次于金刚石。

• SiC：硅和碳都是四价，都位于周期表第 14 族。碳处于第二周期 (仅有 S 和 P 轨道)，硅处于第三周期 (仅有 S 和 P 轨道)。因此，它们的电子结构是类似的。SiC 和金刚石都具有共价网络四面体结构，由具有 sp³ 杂化轨道四价原子组成。金刚石和 SiC 也都表现出多型性。

接近纯净且接近完全致密的 SiC 的硬度约为 30 GPa (如表 1 所示为 27.5-32.7 GPa)。纯度较低的 SiC，例如 90% 纯的液相烧结 SiC (LPS-DSSC) 或 25% 含硅的反应烧结 (硅化) SiC (RSSC)，其硬度约为 24 GPa，如表1 所示。高纯氧化铝和低金属 WC-Co 硬质合金的硬度甚至低于纯度较低的 SiC。B4C 比 SiC 稍微硬一些，约为 33 GPa，如表1 所示。B4C 不是金刚石的类似物，它具有二十面体共价晶体系统。然而，B4C 由高价小原子半径原子的共价网络组成，与金刚石、c-BN 和 SiC 相同。

图2 氧含量对SSiC-DSSC硬度的影响

1.2 强度

SiC 的强度通常用抗弯强度（也称为断裂模量，MOR）来衡量，单位为 MPa，通常符合 ASTM C1161 标准。表 2 列出了各种 SiC 类型以及其他具有商业意义的陶瓷的冷 (20°C) 抗弯强度和抗压强度，同时进行了对比。抗压强度是比抗弯强度更可靠的强度指标。

• MOR：断裂模量 (MPa) 

• Σ (Comp)：抗弯强度 (MPa) 

• E：杨氏模量 (GPa) 

• KIc：断裂韧性系数 (MPa√m)

 • 泊松比：材料在拉伸或压缩一个方向时，在垂直方向上的变形程度

 • HPSC：热压 SiC 

• LPS-DSSC：液相烧结无压烧结 SiC 

• SSiC-DSSC：固态烧结无压烧结 SiC 

• CVD：化学气相沉积 

• RSSC：反应烧结 SiC 

• SNBSC：烧结氮化硅碳化硼 

• SIALON-SIC：硅铝氮氧碳化硅 

• WC-Co：钴结合碳化钨 (硬质合金)

关于抗弯强度 (MOR)，从表 2 中需要注意以下几点：

• HPSC 是迄今为止 MOR 最高的一种类型。这是因为只有 HPSC 能够将 100% 致密性与细粒径结合起来，即全致密烧结温度足够低，可以避免晶粒生长。

• LPS-DSSC 的 MOR 比 SSiC-DSSC、CVD SiC 和 RSSC 高 25%。然而，如表1 所示，LPS-DSSC 的硬度比 SSiC-DSSC 低 10%。因此，晶界中的 10% 玻璃相不利于硬度和湿气增强静疲劳，但有利于 MOR。

• SSiC-DSSC、CVD SiC 和 RSSC 的 MOR 大致相同，约为 500 MPa。对于 SiC 来说，这相对温和，但仍然远高于 Al2O3，它是 SiC 在装甲和耐磨方面的主要竞争对手。

• Si3N4 结合和 SIALON 结合 SiC 的 MOR 则低得多。这是因为其孔隙率高（B15%）。所有其他 SiC 类型都有 ，7% 的孔隙率，通常 ，2%。

• WC-Co 是一种金属陶瓷，也是已知最坚固的材料之一，其 MOR 至少比 SiC 高 20%。SiC 能够接近 WC-Co 的水平，远高于 Al2O3，这说明 SiC 在纯陶瓷中处于 MOR 的最高端。

• Al2O3 是 SiC 的主要竞争对手，其 MOR 仅约为 SiC 的 40%。

• 作为参考，瓷器的 MOR 为 20-45 MPa，这充分展示了 SiC 500-800 MPa MOR 范围的惊人之处。

由于孔隙、缺陷和表面抛光会对测量 MOR 产生很大影响，因此根据格里菲斯裂纹定理，MOR 在陶瓷中是一个相当难以准确测量的参数。因此，MOR 是一个较为主观的参数。因此，抗压强度是衡量陶瓷真实强度更准确的指标。关于抗压强度，从表 2 中需要注意以下几点：

• 当将 SiC 的抗压强度与混凝土或瓷器进行比较时，差异是巨大的：SiC 大约是混凝土的 100-200 倍，是瓷器的 15-20 倍。

• RSSC 的孔隙网络中含有高达 25% 的硅，纯 SiC 含量仅为 75%，它的抗压强度约为纯 SiC 的 75%，与 SiC 含量直接相关。

• 纯 Al2O3 是 SiC 的主要竞争对手，其抗压强度仅约为纯 SiC 的 70%。

• SiC 的抗压强度非常接近 WC-Co，这是最坚固的金属陶瓷之一，也远高于 Al2O3。WC-Co 金属陶瓷是已知强度最高的材料之一。这说明 SiC 在纯陶瓷中处于强度最高端。

总之，SiC 是一种非常高强度的陶瓷，确实是已知最坚固的材料之一。SiC 至少比混凝土强 100 倍。SiC 甚至接近 WC 金属陶瓷（硬质合金）的强度。

1.3 弹性模量

如表 2 所示，SiC 具有 410-462 GPa 的高弹性模量。其原因与高硬度和抗压强度的原因相同：高共价性、小原子半径和高价原子。SiC 是已知弹性模量最高的材料之一，位列第九左右，如表 3 所示。

表3 根据弹性模量排名前10的材料

排名 材料 弹性模量 (GPa) 1 金刚石 1050 2 石墨烯 1000 3 立方氮化硼 800 4 钨 750 5 碳化钨 400-680 6 碳纤维 500 7 碳化硼 450 8 碳化硅 410-462 9 钨铼 400

1.4 密度

SiC 的公认密度为 3.21 g/cm³，这主要与陶瓷装甲应用有关，在陶瓷装甲应用中，单位重量的弹道性能（定义为面密度）取决于硬度和密度。在三种关键的装甲陶瓷中，Al2O3、B4C 和 SiC，SiC 提供了最佳的低密度、高硬度和低成本组合。这解释了为什么 SiC 是当今世界主要用于制作防弹衣的陶瓷材料，这一市场涉及数百万块防弹衣。

与 SiC 相比：

• B4C 硬度高 10%，重量轻 20%，但价格高 100%。

• Al2O3 的硬度只有 50%，重量重 25%，成本低 50% - 100%。

1.5 韧性

作为一种脆性陶瓷，SiC 的韧性约为 3.5-6.0 MPa·m1/2，这对于一种先进工程陶瓷来说是高于平均水平的。SiC 可以很容易地设计成柱状晶粒形状，这使得纯（无增强）SiC 陶瓷的韧性值高达 6 MPa·m1/2。此外，纤维增强已被证明是非常有效的增强 SiC 韧性的方法，有两个突出的例子：

• • SiC 晶须增强 SiC － 领先的航空航天材料。

• • 金属纤维增强 SiC － 一种革命性的新型装甲陶瓷。

韧性对耐磨性就像硬度一样重要。因此，考虑到 SiC 作为耐磨材料的广泛应用，韧性是与硬度和抗压强度一起最重要的机械性能之一。

2 热机械性能

热机械性能对于 SiC 作为耐火材料的应用至关重要，这是其在全球领先的用途之一。在热机械性能方面，SiC 拥有卓越的表现，因此被视为首屈一指的耐火材料，可以说是用于马弗炉的最佳耐火材料。马弗炉需要具有高耐火性、高导热性、高抗氧化性和高抗热震性，SiC 在这些方面都表现出色。

SiC 的热机械卓越性体现在以下属性组合：

• 高耐火性带来的高热强度。

• 表面钝化保护性 SiO2 薄膜带来的优异抗氧化性。

• 低热膨胀系数和高热导性带来的高抗热震性。

• 高耐火性和低自扩散速率带来的优异抗蠕变性。

表 4 列出了相关 SiC 类型的重要热机械性能，并列出了参考材料 Al2O3、无定形 SiO2 和铁以供参考。

表 4 碳化硅 (SiC) 的关键热学和热机械性能，以及其他具有商业意义的陶瓷材料作为对比

材料 热膨胀系数 (25°C 至 1000°C，μm/m·K) 热导率 (W/m·K) 比热容 (J/kg·K) 抗热震性 (ΔT，°C) 最高使用温度 (°C) LPS-DSSC 4.8 80 820 300 1000 SSiC-DSSC 4.4 150 800 300 1600 CeraSiC-B 4.5 170 - 450 1500 化学气相沉积 SiC 4.6 140 665 - 1600 RSSC 4.3 125 820 400 1000 石墨渗透烧结 SiC (Graphite-DSSC) 4.4 125 820 600 1600 SNBSC 3.0 7-15 - - 1600 对比材料 Al2O3 8.1 30 880 200 1750 Fe 12.2 76 - - 500 无定形二氧化硅 0.55 - - 1500 1000

2.1 热膨胀系数

如表 4 所示，SiC 的热膨胀系数 (4.5 μm/m·K) 与传统陶瓷如 Al2O3 相比相对较低。其原因与 SiC 的高原子间键合强度有关。固体中的原子间间距是原子间排斥力和原子间吸引力的平衡。对于像 SiC 这样的具有高度电正，原子半径小的原子材料，这导致了高原子间键合强度，因此热膨胀系数低。

2.2 热导率

如表 4所示，SiC 的热导率与传统陶瓷如 Al2O3 相比很高，甚至与铁等金属相比也很高。SiC 高热导率的原因与其高电导率有关，它既不是绝缘体，也不是导体，而是一种半导体。具体到热导率，以下因素起了作用:

1. 1. SiC 的高弹性模量。

2. 2. SiC 组成原子，碳和硅，都是原子量小的原子。

3. 3. 通过晶格传导声子热量的主要限制因素是声子-声子相互作用，这会导致声子散射，称为 Umklapp 过程。

4. 4. 因素 1 和 2 结合在一起，意味着声子在晶格中平均自由路径的障碍低于平均水平。

2.3 抗热震性

如表 4 所示，SiC 的抗热震性比其主要竞争对手 Al2O3 高 50% - 200%。配方中加入大量石墨的 DSSC 其抗热震性是 Al2O3 的三倍。这种石墨-DSSC 是为了提高 SiC 作为耐磨陶瓷的性能而配制的，结合了石墨的润滑特性和 SiC 的极端耐磨性。然而，石墨-DSSC 也被证明是一种卓越的抗热震性配方。

如表 4所示，SiC 的高抗热震性归因于两个因素：

1. 1. 高热导率，大约是纯铁的两倍。

2. 2. 相对较低的热膨胀系数，大约是 Al2O3 的一半。

这就是为什么 SiC 长期以来被认为是用于马弗炉的最佳耐火材料，马弗炉需要高耐火性、高导热性和高抗热震性。

表 4 显示，无定形二氧化硅是所有陶瓷中最耐热震的，由于其极低的热膨胀系数，其抗热震性远高于 SiC。然而，无定形二氧化硅由于在超过约 1000°C 时易于在杂质存在下转变为方石英，因此并不是非常实用的耐火材料。

尽管如此，由于其低密度 (2.1 g/cm³) 和高抗热震性，非晶质二氧化硅已被证明是一种有效的航空航天器隔热系统，这些航天器在以超过 Mach 10 的速度穿越大气层时会遭受空气动力加热。例如，非晶质二氧化硅已被证明是航天器再入飞行器（如航天飞机）的非常有效的隔热系统，航天飞机在再入期间达到高达约 1450°C 的空气动力加热温度，持续时间非常短（非晶质二氧化硅通常不会用于温度超过 1250°C 的区域）。

2.4 耐火性

图3 显示了 Kleyclamp 和 Schumacher 发布的二元 Si-C 相图。可以识别以下重要特征:

• SiC 是 Si-C 系统中唯一的二元化合物。

• SiC 具有非常窄的固溶范围。

• SiC 在 1 个大气压下约 2830°C 时以共晶的方式熔化，共晶点在 13 摩尔% 碳。

• 在 Si 和 SiC 之间存在一个退化共晶，温度为 1413°C，碳含量为 0.02 摩尔%。

实际上，SiC 在低至 2000°C 的温度下会明显挥发，但添加少量重量百分比的碳可以抑制这种情况。计算预测，SiC 液相将在 T ≥ 3200°C 和 P ≥ 10 GPa 的条件下形成，这些条件只能使用金刚石合成技术产生。因此，液态 SiC 显然不是任何实际可工业化的相位。

其次，众所周知，SiC 具有出色的抗氧化性，这是因为当在 850°C 以上的氧化气氛中加热时，其表面会形成一层保护性二氧化硅玻璃膜。这使得 SiC 可以用于最高 1700°C 的氧气存在环境中（通常不推荐 T ≥ 1600°C），无论它是简单的环境空气还是任何包含大量氧气气体分压的炉气氛。这使得 SiC 成为一种非常有吸引力的耐火材料。

2.5 热强度

陶瓷 SiC 在全球的一个主要用途是作为耐火材料。热强度是该应用的一个非常重要的标准。通常，晶粒边界杂质含量低到微不足道的多晶 SiC 可以将强度保持到高达 1600°C 的温度。图 4-6 展示了涵盖 1974 年至 2006 年四个十年的 SiC 热强度研究系列。总结如下：

• HPSC 1974：图 4。室温抗弯强度 (600-900 MPa，取决于 SiC 粒子尺寸) 在 1200°C 下降至 80%，在 1375°C 下降至 56%，在 1500°C 下降至 41%。

• HPSC 1974：图 5。室温抗弯强度 (550 MPa) 在高达 1400°C 时保持稳定，然后在 1600°C 下降至 50%。

• LPS-DSSC 2006：图 6。室温抗弯强度 (500 MPa) 在 1300°C 下降至 56%，在 1600°C 下降至 40%。

• NITE-DSSC 2006：图 6。室温抗弯强度 (900 MPa) 从室温到 1800°C 都不受温度影响。

NITE-DSSC 是一种特殊类型的先进纳米结构 DSSC。它表现出非凡的热强度。然而，传统的 SiC，无论是热压还是无压烧结，在大约 1300°C 左右开始经历显着的强度下降，尽管在所有情况下，它仍然在大约 1500°C 时保持其冷强度的 50%。

图3 Si和C的二元相图

图4球磨时间对由4.5 μm SiC粉和3wt .%铝粉制成的HPSC抗折强度的影响，在WC磨机(WC介质和磨机)中湿球磨，然后在2075℃和18.6 MPa热压下进行。

图 5 HPSC的抗弯强度(MOR)，热压温度为1950℃/70 MPa/30 min

图6常规LPS-DSSC与NITE-DSSC热强度对比，即采用30 nm的β-SiC纳米粉，采用NITE工艺制备

2.6 高温蠕变

蠕变测试是更全面的方法，用于测绘热强度和高温下热强度下降导致的永久变形后果。这对于耐火材料的设计非常重要。蠕变测试包括在恒定应力下测量高温塑性应变随时间的变化。这些都是由扩散驱动的过程。从这些测量中，可以绘制稳态蠕变速率和温度之间的关联图。通常，蠕变有三个范围，可以在应变与时间图的拐点处识别出来:

• 弹性变形：这先于高温蠕变形式的塑性变形开始。

• 初级蠕变：在相对较短的时间段内，这是一个随时间增加而蠕变速率降低的区域。

• 次级蠕变：在中等时间段内，蠕变速率随着时间的增加相对稳定。

• 三级蠕变：在长时间段内，这是一个随时间增加而蠕变速率增加的区域。

Lane 等人的一项研究详细测绘了 SiC 的蠕变速率。图 7 显示了 Lane 等人研究结果的一个小片段。Lane 等人的这项研究代表了迄今为止发布的最全面的 SiC 蠕变研究之一，对于想要深入研究 SiC 蠕变现象的读者来说是推荐读物。

简而言之，SiC 在高达其极限氧化温度 1600°C 的范围内具有良好的抗蠕变性。作为一个绝对极限，SiC 最多可以在空气中使用到 1700°C，这通常被认为是 SiC 作为耐火材料在氧气存在下 (蠕变和氧化施加的限制) 或还原条件 (仅蠕变施加的限制) 的上限使用温度。

能够将热强度保持近 100% 到 1800°C 的 NITE-DSSC 是一个例外。在还原条件下，NITE-DSSC 能够在高于 1700°C 的温度下操作。NITE-DSSC 是一种非常昂贵的精品型 SiC，主要用于核工业。

图7 SSiC-DSSC在1400℃(104/K = 6) ~ 1800℃(104/K = 4.8)高温稳态蠕变◆179 MPa; ■345 MPa; 414 MPa。

3 化学特性

碳化硅在常温和高温下都具有很高的耐腐蚀性。其耐腐蚀性可以概括如下 :

低温酸碱和熔融盐

• 煮沸于 HCl：无反应。

• 煮沸于 H2SO4：无反应。

• 煮沸于 HF：无反应。

• 煮沸于 HNO3 + HF：无反应。

• 煮沸于浓 NaOH：无反应。

• 熔融盐，800°C：无反应。

高温气体腐蚀，900°C

• H2 气体：无反应。

• H2S 气体：无反应。

• SO2 气体：腐蚀。

• Cl2 气体：腐蚀。

• 硫磺蒸汽：腐蚀。

高温熔融盐，900°C

• 中性或酸性盐熔体对 SiC 的侵蚀性弱于碱性盐，通常只会钝化，不会腐蚀。

• Na2SO4 仅存在于厚层时：腐蚀。

• 碱性盐熔体，如 Na2O 或 Na2CO3：腐蚀。

最后，要强调的一个重要点是，上述内容适用于高纯 SiC：

• 单晶 SiC。

• 热压 SiC (HPSC)。

• 固态烧结无压烧结 (直接烧结) SiC (SSiC-DSSC)。

这不一定适用于液相烧结 SiC (LPS-DSSC)，因为 LPS-DSSC 在晶界处有大量的玻璃，通常为 10%，如图8 所示。相比之下，SSiC-DSSC 和 HPSC 具有干净的晶界。因此，虽然 LPS-DSSC 中的 SiC 晶粒本身对腐蚀性攻击具有很强的抵抗力，但玻璃的耐腐蚀性总是比 SiC 低得多。此外，玻璃相通常会穿透 LPS-DSSC 中的 SiC-SiC 晶界。图 9 将 SSiC-DSSC 陶瓷的晶界与 LPS-DSSC 的晶界进行了比较，揭示了 SSiC-DSSC 中非常干净的 SiC-SiC 晶界，以及 LPS-DSSC 中厚约 5 纳米的玻璃晶界，以及相关的界面元素分析，证实了 5 纳米厚的区域是玻璃。

LPS-DSSC 陶瓷的一个关键问题是玻璃相渗透到 SiC-SiC 晶界的程度。2014 年，Liang 等人 对此进行了研究，涉及 HRTEM 分析三种不同 LPS-DSSC 系统中 SiC-SiC 晶界的分析。图 10 显示了这三种系统中 SiC-玻璃界面 HRTEM 图像。由于 Al2O3-CeO2 液相对 SiC 晶粒的润湿性相对较差，如图 10所示，液相渗透到 SiC-SiC 晶界的程度很小。HRTEM 图像显示了 Al2O3-CeO2 系统中干净的 SiC-SiC 晶界。相比之下，Al2O3-Lu2O3 和 Al2O3-Er2O3 系统都与 SiC 晶粒有良好的润湿性。这导致玻璃相严重渗透到 SiC-SiC 晶界，Al2O3-Lu2O3 和 Al2O3-Er2O3 系统中的玻璃界面层厚度约为 2 纳米。这对于热导率、高温机械性能或耐腐蚀性来说都不是一个好的结果，这表明在 Liang 等人的研究中，Al2O3-CeO2 是 SiC-SiC 晶界方面更优选的系统。

图 8（上图）由纯 α-SiC 烧结而成、未退火的 LPS-DSSC 的扫描电镜显微照片。(下图）由α-SiC/β-SiC 混合粉末（10% α-SiC）烧结并退火 16 小时的 LPS-DSSC 的扫描电镜显微照片

即使是微观结构和机械性能方面最优秀的 LPS-DSSC 形式 NITE LPS-DSSC，也比 SSiC-DSSC 更容易受到腐蚀。Parish 等人发表了一项关于 NITE-SiC 腐蚀的广泛研究，将三种不同的 NITE LPS-DSSC 陶瓷（氧化钇-氧化铝、氧化锆-氧化铈-氧化铝和氧化钇-氧化锆-氧化铝）暴露于核反应堆（压水堆）条件下的水热腐蚀环境中，并展示了它易受腐蚀的程度。他们在结论中总结如下：

氧化钇-氧化铝 NITE 的表现很差，与之前的观察一致。氧化锆-氧化铈-氧化铝烧结体系在高铈含量下性能更差，经过两周的腐蚀测试后，材料完全消失。在较低的铈含量和较高的氧化锆含量下，该体系的性能与参考的氧化钇-氧化铝烧结 NITE-SiC 类似。氧化钇-氧化锆-氧化铝体系的性能比前两者好得多，但其失重率仍然比 CVD-SiC 大至少一个数量级。

图9 SSiC-DSSC和LPS-DSSC晶界的HRTEM分析。(上图)SSiC-DSSC显示了清晰的SiCSiC晶界，并具有验证的EDS元素谱。(下图)LPS-DSSC在晶界处显示约5nm厚的玻璃夹层，具有验证的EDS元素谱。

Parish 等人发表了一张解释 LPS-DSSC 腐蚀机制的示意图，如图 11 所示。这项研究表明，对于高腐蚀环境，即使是 NITE LPS-DSSC 也并不合适。需要使用 SSiC-DSSC，或者更好的 HPSC，其性能通常优于 SSiC-DSSC。最好的选择是单晶 SiC，尽管这是一个非常昂贵的选项。 最后，需要指出的是，LPS-DSSC 的热强度通常远低于 SSiC-DSSC 和 HPSC。这是因为 SSiC-DSSC 和 HPSC 具有干净的晶界，而 LPS-DSSC 则在晶界中含有玻璃。玻璃渗透的程度会影响耐腐蚀性和热强度。

图 10 HRTEM 界面图片: (A) Al2O3-Lu2O3; (B) Al2O3-Er2O3; (C)Al2O3-CeO2

图11 LPS-DSSC 中的腐蚀机理示意图

4 电学特性

碳化硅目前被认为是仅次于硅的第二大重要工业半导体。作为一种半导体，SiC 的性能是硅的 3-10 倍；然而，SiC 晶片/衬底比硅更昂贵，而且 SiC 是半导体行业的新近加入者，而硅半导体已经有 60 年的历史。因此，SiC 在半导体行业的真正影响尚未显现。毫无疑问，半导体正迅速成为 SiC 的最大商业用途，从 20 年前纯粹的研究活动到目前为止有望在 2032 年成为一个价值 10 亿美元的市场，这是一个迅速的崛起。还有一些小型电气应用，例如炉元素和其他高温整体式 SiC 电瓷器件，但 SiC 电气应用的绝大部分是作为半导体晶片/衬底。

高纯 SiC 是一种电绝缘体，但普通商用 SiC 由于存在杂质而是一种电导体。单晶半导体晶片 SiC 故意掺杂离子来控制其导电性。

与大多数半导体一样，SiC 的导电性随温度升高而增加，如表5 所示。此外，表 5 还表明，SiC 位于最常见的电绝缘材料之一氧化铝和最强的导电材料之一铜之间。表5 还展示了通过离子掺杂如何大幅改变 SiC 的导电性，正如表中第 4 和第 5 行所述。

表 5 SiC的电阻率，以及其他具有商业意义的陶瓷材料作为对比