為什麼要在絕緣板中使用黑色碳化矽？

為什麼要在絕緣板中使用黑色碳化矽？

選擇黑色碳化矽是因為它具有獨特的性能組合，可以直接應對高溫環境帶來的挑戰。

1. 優異的抗熱衝擊性能

這是最重要的原因。碳化矽具有極高 的導熱係數 （約120-140 W/m·K），這對保溫板來說似乎有悖常理。然而，當它作為骨材嵌入多孔絕緣基體中時，便能形成「熱通道」網路。

• 原理： 當電路板一側快速加熱時，SiC顆粒會迅速將熱能分散到整個材料中，防止嚴重的溫度梯度和由此導致的應力，從而避免開裂。周圍的多孔基體仍然能夠提供整體的絕緣性能。

2. 高機械強度和硬度

• 碳化矽是目前最堅硬的材料之一（莫氏硬度約 9.5）。將其加入電路板可顯著提高以下效能：

  • 低溫抗壓強度： 此板材在室溫下可承受重壓。

  • 耐磨性： 此板材不易因氣流或物理接觸而磨損。

  • 高溫強度（熱斷裂模數）： 在其他材料會軟化的溫度下，它仍能保持強度。

3. 高導熱性（作為策略優勢）

如前所述，這種設計用於 散熱 ，而不僅僅是阻擋散熱。它能夠實現以下功能：

• 更快的加熱和冷卻循環，且不會損壞電路板。

• 爐內或窯內溫度分佈更均勻。

4. 極佳的抗藥性

• 黑色碳化矽的熔點很高（約 2730°C 或 4946°F），在惰性或還原性氣氛中可穩定至約 1600°C。這使其適用於要求最嚴苛的高溫應用。

關鍵考量因素與挑戰

使用黑色碳化矽並非沒有缺點，在製造和應用過程中必須仔細管理這些缺點。

1. 氧化

• 問題： 在氧化性氣氛（空氣）中，溫度高於約 900°C 時，SiC 開始氧化，在其表面形成二氧化矽 (SiO₂) 層。

  • SiC + 2O₂ → SiO₂ + CO₂

• 後果：

  • SiO₂層會隨著時間的推移導致SiC顆粒逐漸退化和弱化。

  • 氧化過程會導致輕微的體積膨脹，產生內部應力。

• 緩解措施： 製造商通常會在混合物中添加抗氧化劑（例如金屬矽），這些抗氧化劑會優先氧化，從而保護 SiC 顆粒。

2. 成本

• 黑色碳化矽比其他常見的耐火材料（如煅燒燧石粘土、鋁土礦甚至白色熔融氧化鋁）更昂貴。這會增加保溫板的最終成本。

3. 可控制孔隙率絕緣材料

• 由於碳化矽密度高且導熱性好，製造商必須精心設計電路板的其餘結構，以保持其低導熱性。通常的做法是：

  • 使用高孔隙率填料，如 氧化鋁氣泡 或 莫來石球。

  • 加入有機燒蝕材料，燒蝕後會留下氣孔。

  • 形成精細的閉孔結構。

碳化矽增強絕緣板的典型組成

典型的配方可能如下所示：

• 60-70%： 氧化鋁氣泡/莫來石骨材（主要絕緣成分）

• 15-25%： 黑色碳化矽砂粒（增強骨材）

• 10-15%： 活性氧化鋁粉末 + 黏土（黏結基質）

• 1-3%： 抗氧化劑添加劑（例如，矽金屬粉）

• + 黏合劑： 例如磷酸鹽或膠體二氧化矽，用於在燒製前將生坯黏合在一起。

常用應用程式

含有黑色碳化矽的電路板用於要求最苛刻的領域：

• 爐膛高溫面： 直接暴露於火焰和高溫下的內襯。

• 窯車頂： 用於在滾筒窯或隧道窯中固定器皿的結構，需要高強度和抗熱衝擊性。

• 燃燒器擋塊： 用於包圍高速燃燒器，此處溫度波動極大。

• 熱處理爐： 適用於需要快速循環的製程。

• 後備保溫層： 位於高密度耐火澆注料後面，以提供結構完整性。

摘要：黑色碳化矽與替代品

結論

黑色碳化矽是一種優質添加劑，可將普通陶瓷絕緣板轉化為高性能、耐用且隔熱性能優異的產品。 其主要作用是在溫度快速變化和機械應力持續存在的環境中，提供無與倫比的抗熱衝擊性和結構完整性。雖然其成本較高且易氧化，但其在關鍵應用中的卓越性能使其成為不可或缺的材料。