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                                                      碳化硅價值，超乎認知

中國鐵合金網(wǎng)數(shù)據(jù)整理，對碳化硅產(chǎn)品最新的應用領域做了研究，碳化硅材料重要性超乎認知。

    一、碳化硅的定義

    碳化硅是一種人工合成的碳化物，分子式為SiC。通常是由二氧化硅和碳在通電后2000℃以上的高溫下形成的。碳化硅理論密度是3.18克每立方厘米，其莫氏硬度僅次于金剛石，在9.2-9.8之間，顯微硬度3300千克每立方毫米，由于它具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性及較高的高溫強度等特點，被用于各種耐磨、耐蝕和耐高溫的機械零部件，是一種新型的工程陶瓷新材料。

    二、碳化硅的基本性能

　　1、化學性質

　　抗氧化性：當碳化硅材料在空氣中加熱到1300℃時，在其碳化硅晶體表面開始生成二氧化硅保護層。隨著保護層的加厚，阻止了內部碳化硅繼續(xù)被氧化，這使碳化硅有較好的抗氧化性。當溫度達到1900K(1627℃)以上時，二氧化硅保護膜開始被破壞，碳化硅氧化作用加劇，所以1900K是碳化硅在含氧化劑氣氛下的最高工作溫度。

　　耐酸堿性：在耐酸、堿及氧化物的作用方面，由于二氧化硅保護膜的作用，碳化硅的抗酸能力很強，抗堿性稍差。

　　2、物理機械性能

　　密度：各種碳化硅晶形的顆粒密度十分接近，一般認為是3.20克/毫米3，其碳化硅磨料的自然堆積密度在1.2--1.6克/毫米3之間，其高低取決于粒度號、粒度組成和顆粒形狀。

　　硬度：碳化硅的莫氏硬度為9.2，威氏顯微密硬度為3000--3300公斤/毫米2，努普硬度為2670—2815公斤/毫米，在磨料中高于剛玉而僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼。

　　導熱率：碳化硅制品的導熱率很高，熱膨脹系數(shù)較小，抗熱震性很高，是優(yōu)質的耐火材料。

　　3、電學性質

　　常溫下工業(yè)碳化硅是一種半導體，屬雜質導電性。高純度碳化硅隨著溫度的升高電阻率下降，含雜質碳化硅根據(jù)其含雜質不同，導電性能也不同。碳化硅的另一電性質是電致發(fā)光性，現(xiàn)已研制出實用器件。

　　4、其他性質

　　親水性好，遠紅外輻射性等。

    三、用途

　　1、磨料磨具方面的用途

　　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。

　　2、化工用途

　　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，提高鋼的質量，降低原輔材料消耗，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。

　　3、用于耐磨、耐火和耐腐蝕材料

　　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、航空飛機跑道等的理想材料之一。

   4. 碳化硅生產(chǎn)：  天然的碳化硅很少，工業(yè)上使用的為人工合成原料，俗稱金剛砂，是一種典型的共價鍵結合的化合物。碳化硅是耐火材料領域中最常用的非氧化物耐火原料之一。

（1）碳化硅的性質

碳化硅主要有兩種結晶形態(tài)：b-SiC和a-SiC。b-SiC為面心立方閃鋅礦型結構，晶格常數(shù)a=0.4359nm。a-SiC是SiC的高溫型結構，屬六方晶系，它存在著許多變體。

碳化硅的折射率非常高，在普通光線下為2.6767~2.6480.各種晶型的碳化硅的密度接近，a-SiC一般為3.217g/cm³，b-SiC為3.215g/cm³.純碳化硅是無色透明的，工業(yè)SiC由于含有游離Fe、Si、C等雜質而成淺綠色或黑色。綠碳化硅和黑碳化硅的硬度在常溫和高溫下基本相同。SiC熱膨脹系數(shù)不大，在25~1400℃平均熱膨脹系數(shù)為4.5×10^-6/℃。碳化硅具有很高的熱導率，500℃時為64.4W/(m·K)。常溫下SiC是一種半導體。碳化硅的基本性質列于下表。

碳化硅具有耐高溫、耐磨、抗沖刷、耐腐蝕和質量輕的特點。碳化硅在高溫下的氧化是其損害的主要原因。

（2）碳化硅的合成

①碳化硅的冶煉方法  合成碳化硅所用的原料主要是以SiO₂為主要成分的脈石英或石英砂與以C為主要成分的石油焦，低檔次的碳化硅可用地灰分的無煙煤為原料。輔助原料為木屑和食鹽。

碳化硅有黑、綠兩種。冶煉綠碳化硅時要求硅質原料中SiO₂含量盡可能高，雜質含量盡量低。生產(chǎn)黑碳化硅時，硅質原料中的SiO₂可稍低些。對石油焦的要求是固定碳含量盡可能高，灰分含量小于1.2%，揮發(fā)分小于12.0%，石油焦的粒度通常在2mm或1.5mm以下。木屑用于調整爐料的透氣性能，通常的加入量為3%~5%（體積）。食鹽僅在冶煉綠碳化硅時使用。

硅質原料與石油焦在2000~2500℃的電阻爐內通過以下反應生成碳化硅：

SiO₂+3C→SiC+2CO↑-526.09Kj

CO通過爐料排出。加入食鹽可與Fe、Al等雜質生成氯化物而揮發(fā)掉。木屑使物料形成多孔燒結體，便于CO氣體排出。

      碳化硅形成的特點是不通過液相，其過程如下：約從1700℃開始，硅質原料由砂粒變?yōu)槿垠w，進而變?yōu)檎羝ò谉煟�；SiO₂熔體和蒸汽鉆進碳質材料的氣孔，滲入碳的顆粒，發(fā)生生成Sic的反應；溫度升高至1700~1900℃時，生成b-SiC；溫度進一步升高至1900~2000℃時，細小的b-SiC轉變?yōu)閍-SiC，a-SiC晶粒逐漸長大和密實；爐溫再升至2500℃左右，SiC開始分解變?yōu)楣枵羝褪?/span>

       大規(guī)模生產(chǎn)碳化硅所用的方法有艾奇遜法和 ESK法。

艾奇遜法  傳統(tǒng)的艾奇遜法電阻爐的外形像一個長方形的槽子，它是有耐火磚砌成的爐床。兩組電極穿過爐墻深入爐床之中，專用的石墨粉爐芯體配置在電極之間，提供一條導電通道，通電時下產(chǎn)生很大的熱量。爐芯體周圍裝盛有硅質原料、石油焦和木屑等組成的原料，外部為保溫料。

熔煉時，電阻爐通電，爐芯體溫度上升，達到2600℃左右，通過爐芯體表面?zhèn)鳠峤o周圍的混合料，使之發(fā)生反應生成碳化硅，并逸出CO氣體。一氧化碳在爐表面燃燒生成二氧化碳，形成一個柔和、起伏的藍色至黃色火焰氈被，一小部分為燃燒的一氧化碳進入空氣。待反應完全并冷卻后，即可拆除爐墻，將爐料分層分級揀選，經(jīng)破碎后獲得所需粒度，通過水洗或酸堿洗、磁選等除去雜質，提高純度，再經(jīng)干燥、篩選即得成品。

艾奇遜法設備簡單、投資少，廣泛為石階上冶煉SiC的工廠所采用。但該法的主要缺點在于無法避免粉塵和廢氣造成的污染，冶煉過程排出的廢氣無法收集和再利用，無法減輕取料和分級時的繁重體力勞動，同時爐子的長度也不夠，通常僅幾米至幾十米長，生產(chǎn)經(jīng)濟性不高。

     ESK法  1973年，德國ESK公司對艾奇遜法進行了改進，發(fā)展了ESK法。Esk法的大型SiC冶煉爐建立在戶外，沒有端墻和側墻，直線性或U型電極位于爐子底部，爐長達60m，用聚乙烯袋子進行密封以回收爐內逸出的氣體，提取硫后將其通過管道小型火電廠發(fā)電。該爐可采用成本低、活性高、易反應的高硫分石油焦或焦炭作為原料，將原料硫含量由原來的1.5%提高到5.0%。

②碳化硅粉末的合成方法  合成碳化硅粉末的方法主要有固相法、液相法和氣相法三種。

固相法是通過二氧化硅和碳發(fā)生碳熱還原反應或硅粉和炭黑細粉直接在惰性氣氛中發(fā)生反應而制得碳化硅細粉�？梢酝ㄟ^機械法將艾奇遜法或ESK法冶煉的碳化硅加工成SiC細粉。目前該方法制得的細粉表面積1~15m²/g,氧化物含量1.0%左右，金屬雜質含量1400~2800ppm（1ppm=10^-6）。其細度和成分取決于粉碎、酸洗等后續(xù)處理工藝和手段。碳化硅粉末也可以由豎爐或高溫回轉窯連續(xù)化生產(chǎn)，可獲得高質量的b-SiC粉體。SiO₂細粉與碳粉混合料在豎爐的惰性氣氛中，在低于2000℃的溫度下發(fā)生熱還原反應，合成b-SiC粉體。所獲得的SiC的粒度為微米級。但往往含有非反應的SiO₂和C，需進行后續(xù)的酸洗和脫碳處理。利用高溫回轉窯也可生產(chǎn)出高質量的SiC細粉。

液相反應法可制備高純度、納米級的SiC微粉，而且產(chǎn)品均勻性好，是一種具有良好發(fā)展前景的方法。液相反應法制備SiC微粉主要分為溶膠-凝膠法和聚合物熱分解法等。溶膠-凝膠法制備SiC微粉的核心是通過溶膠-凝膠反應過程，形成Si和C在分子水平上均勻分布的混合物或聚合物固體，升溫過程中，首先形成SiO₂和C的均勻混合物，然后在1400~1600℃溫度下發(fā)生碳熱還原反應生成SiC。

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