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                                                      碳化硅價(jià)值，超乎認(rèn)知

中國(guó)鐵合金網(wǎng)數(shù)據(jù)整理，對(duì)碳化硅產(chǎn)品最新的應(yīng)用領(lǐng)域做了研究，碳化硅材料重要性超乎認(rèn)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(qiáng)度等特點(diǎn)，被用于各種耐磨、耐蝕和耐高溫的機(jī)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(xué)性質(zhì)

　　抗氧化性：當(dāng)碳化硅材料在空氣中加熱到1300℃時(shí)，在其碳化硅晶體表面開(kāi)始生成二氧化硅保護(hù)層。隨著保護(hù)層的加厚，阻止了內(nèi)部碳化硅繼續(xù)被氧化，這使碳化硅有較好的抗氧化性。當(dāng)溫度達(dá)到1900K(1627℃)以上時(shí)，二氧化硅保護(hù)膜開(kāi)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(hù)膜的作用，碳化硅的抗酸能力很強(qiáng)，抗堿性稍差。

　　2、物理機(jī)械性能

　　密度：各種碳化硅晶形的顆粒密度十分接近，一般認(rèn)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(hào)、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(dǎo)熱率：碳化硅制品的導(dǎo)熱率很高，熱膨脹系數(shù)較小，抗熱震性很高，是優(yōu)質(zhì)的耐火材料。

　　3、電學(xué)性質(zhì)

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

　　4、其他性質(zhì)

　　親水性好，遠(yuǎn)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(shù)脂工業(yè)的主要原料。碳化硅脫氧劑是一種新型的強(qiáng)復(fù)合脫氧劑，取代了傳統(tǒng)的硅粉碳粉進(jìn)行脫氧，和原工藝相比各項(xiàng)理化性能更加穩(wěn)定，脫氧效果好，使脫氧時(shí)間縮短，節(jié)約能源，提高煉鋼效率，提高鋼的質(zhì)量，降低原輔材料消耗，減少環(huán)境污染，改善勞動(dòng)條件，提高電爐的綜合經(jīng)濟(jì)效益都具有重要價(jià)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(qiáng)度大、導(dǎo)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(pán)、鋁電解槽、銅熔化爐內(nèi)襯、鋅粉爐用弧型板、熱電偶保護(hù)管等；用于制作耐磨、耐蝕、耐高溫等高級(jí)碳化硅陶瓷材料；還可以制做火箭噴管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片等。此外，碳化硅也是高速公路、航空飛機(jī)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(jià)鍵結(jié)合的化合物。碳化硅是耐火材料領(lǐng)域中最常用的非氧化物耐火原料之一。

（1）碳化硅的性質(zhì)

碳化硅主要有兩種結(jié)晶形態(tài)：b-SiC和a-SiC。b-SiC為面心立方閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=0.4359nm。a-SiC是SiC的高溫型結(jié)構(gòu)，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(wú)色透明的，工業(yè)SiC由于含有游離Fe、Si、C等雜質(zhì)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(dǎo)率，500℃時(shí)為64.4W/(m·K)。常溫下SiC是一種半導(dǎo)體。碳化硅的基本性質(zhì)列于下表。

碳化硅具有耐高溫、耐磨、抗沖刷、耐腐蝕和質(zhì)量輕的特點(diǎn)。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(wú)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(shí)要求硅質(zhì)原料中SiO₂含量盡可能高，雜質(zhì)含量盡量低。生產(chǎn)黑碳化硅時(shí)，硅質(zhì)原料中的SiO₂可稍低些。對(duì)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(diào)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(shí)使用。

硅質(zhì)原料與石油焦在2000~2500℃的電阻爐內(nèi)通過(guò)以下反應(yīng)生成碳化硅：

SiO₂+3C→SiC+2CO↑-526.09Kj

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

      碳化硅形成的特點(diǎn)是不通過(guò)液相，其過(guò)程如下：約從1700℃開(kāi)始，硅質(zhì)原料由砂粒變?yōu)槿垠w，進(jìn)而變?yōu)檎羝ò谉煟�；SiO₂熔體和蒸汽鉆進(jìn)碳質(zhì)材料的氣孔，滲入碳的顆粒，發(fā)生生成Sic的反應(yīng)；溫度升高至1700~1900℃時(shí)，生成b-SiC；溫度進(jìn)一步升高至1900~2000℃時(shí)，細(xì)小的b-SiC轉(zhuǎn)變?yōu)閍-SiC，a-SiC晶粒逐漸長(zhǎng)大和密實(shí)；爐溫再升至2500℃左右，SiC開(kāi)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(gè)長(zhǎng)方形的槽子，它是有耐火磚砌成的爐床。兩組電極穿過(guò)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(dǎo)電通道，通電時(shí)下產(chǎn)生很大的熱量。爐芯體周圍裝盛有硅質(zhì)原料、石油焦和木屑等組成的原料，外部為保溫料。

熔煉時(shí)，電阻爐通電，爐芯體溫度上升，達(dá)到2600℃左右，通過(guò)爐芯體表面?zhèn)鳠峤o周圍的混合料，使之發(fā)生反應(yīng)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(gè)柔和、起伏的藍(lán)色至黃色火焰氈被，一小部分為燃燒的一氧化碳進(jìn)入空氣。待反應(yīng)完全并冷卻后，即可拆除爐墻，將爐料分層分級(jí)揀選，經(jīng)破碎后獲得所需粒度，通過(guò)水洗或酸堿洗、磁選等除去雜質(zhì)，提高純度，再經(jīng)干燥、篩選即得成品。

艾奇遜法設(shè)備簡(jiǎn)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(diǎn)在于無(wú)法避免粉塵和廢氣造成的污染，冶煉過(guò)程排出的廢氣無(wú)法收集和再利用，無(wú)法減輕取料和分級(jí)時(shí)的繁重體力勞動(dòng)，同時(shí)爐子的長(zhǎng)度也不夠，通常僅幾米至幾十米長(zhǎng)，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性不高。

     ESK法  1973年，德國(guó)ESK公司對(duì)艾奇遜法進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展了ESK法。Esk法的大型SiC冶煉爐建立在戶外，沒(méi)有端墻和側(cè)墻，直線性或U型電極位于爐子底部，爐長(zhǎng)達(dá)60m，用聚乙烯袋子進(jìn)行密封以回收爐內(nèi)逸出的氣體，提取硫后將其通過(guò)管道小型火電廠發(fā)電。該爐可采用成本低、活性高、易反應(yīng)的高硫分石油焦或焦炭作為原料，將原料硫含量由原來(lái)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(guò)二氧化硅和碳發(fā)生碳熱還原反應(yīng)或硅粉和炭黑細(xì)粉直接在惰性氣氛中發(fā)生反應(yīng)而制得碳化硅細(xì)粉�？梢酝ㄟ^(guò)機(jī)械法將艾奇遜法或ESK法冶煉的碳化硅加工成SiC細(xì)粉。目前該方法制得的細(xì)粉表面積1~15m²/g,氧化物含量1.0%左右，金屬雜質(zhì)含量1400~2800ppm（1ppm=10^-6）。其細(xì)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(zhuǎn)窯連續(xù)化生產(chǎn)，可獲得高質(zhì)量的b-SiC粉體。SiO₂細(xì)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(yīng)，合成b-SiC粉體。所獲得的SiC的粒度為微米級(jí)。但往往含有非反應(yīng)的SiO₂和C，需進(jìn)行后續(xù)的酸洗和脫碳處理。利用高溫回轉(zhuǎn)窯也可生產(chǎn)出高質(zhì)量的SiC細(xì)粉。

液相反應(yīng)法可制備高純度、納米級(jí)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(yīng)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(guò)溶膠-凝膠反應(yīng)過(guò)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(guò)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(yīng)生成SiC。

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