碳化硅

非金屬碳化物

碳化硅是由硅與碳元素以共價(jià)鍵結(jié)合的非金屬碳化物，硬度僅次于金剛石和碳化硼?；瘜W(xué)式為SiC。無(wú)色晶體，外表氧化或含雜質(zhì)時(shí)呈藍(lán)黑色。具有金剛石結(jié)構(gòu)的碳化硅變體俗稱(chēng)金剛砂。金剛砂的硬度挨近金剛石，熱安穩(wěn)性好，2127℃時(shí)由β-碳化硅轉(zhuǎn)變成α-碳化硅，α-碳化硅在2400℃依然安穩(wěn)。對(duì)氫氟酸水溶液和濃硫酸安穩(wěn)，對(duì)濃氫氟酸與硝酸的混合酸或磷酸則不安穩(wěn)。在空氣氛中被熔融的堿分化。它分為人工合成碳化硅和天然碳化硅。天然碳化硅稱(chēng)為碳硅石，首要賦存于金伯利巖及火山角閃巖中，但其量甚少，無(wú)挖掘價(jià)值。

工業(yè)用碳化硅為人工碳化硅，SiC含量為95%～99.5%，常含少量的游離碳，以及Fe2O3、Si和SiO2等雜質(zhì)。碳化硅按結(jié)晶類(lèi)型可分為六方晶系(α-SiC)和立方晶系(β-SiC)，六方晶系又因其結(jié)晶排列的周期性不同有六方晶胞的晶型(2H、4H、6H……等)和菱形晶胞的晶型(15R、21R、27R……等)，碳化硅的同質(zhì)多晶結(jié)構(gòu)有100多種。工業(yè)碳化硅為α-SiC和β-SiC的混合物，色彩有黑色和綠色兩種。純潔的碳化硅為無(wú)色通明，含雜質(zhì)時(shí)呈黑色、綠色、藍(lán)色及黃色。六方和立方晶系，晶體為板狀，復(fù)三方柱狀。具有玻璃光澤，密度為3.17～3.47g/cm3，莫氏硬度9.2，顯微硬度30380～33320MPa；熔點(diǎn)：在大氣中2050℃開(kāi)端分化，在復(fù)原氣氛下2600℃開(kāi)端分化；彈性模量為466、480MPa；抗拉強(qiáng)度為171.5MPa；耐壓強(qiáng)度為1029MPa；線(xiàn)膨脹系數(shù)為(25～1000℃)5.0×10-6/℃；熱導(dǎo)率(20℃)為59W/(m·K)?；瘜W(xué)性質(zhì)安穩(wěn)，在HCl、H2SO4和HF中煮沸也不受浸蝕，但在濃H3PO4中于230℃開(kāi)端分化。

圖中為碳化硅與各種氣體和化學(xué)品的反響 碳化硅可用作研磨資料、耐火資料、電阻發(fā)熱元件及脫氧劑等。在耐火資料工業(yè)中，碳化硅用來(lái)出產(chǎn)各種碳化硅磚，也可用作添加劑或抗氧化劑。

發(fā)現(xiàn)前史

碳化硅是由美國(guó)工程師艾奇遜(E.G.Acheson)在1891年電熔金剛石時(shí)偶爾發(fā)現(xiàn)的一種碳化物。其時(shí)誤認(rèn)為是和剛玉的化合物，取名金剛砂。1893年，艾奇遜研究出制造碳化硅的工業(yè)辦法，以炭質(zhì)資料為爐芯的電阻爐，通電加熱SiO2和炭的混合物，反響生成碳化硅的專(zhuān)利辦法(美國(guó)專(zhuān)利492767號(hào))。

分類(lèi)和分級(jí)

按色澤、用處和結(jié)構(gòu)的不同，碳化硅可分為不同的類(lèi)別。

純碳化硅是無(wú)色通明的晶體。工業(yè)碳化硅則有無(wú)色、淡黃色、淺綠色、深綠色或淺藍(lán)色、深藍(lán)色甚至黑色。磨料職業(yè)把碳化硅按色澤分為黑碳化硅和綠碳化硅兩大類(lèi)，其間無(wú)色的直到深綠色的都?xì)w入綠碳化硅;淺藍(lán)色的至黑色的則歸入黑碳化硅。碳化硅多色的原因與各種雜質(zhì)的存在有關(guān)。工業(yè)碳化硅一般含有2%左右的各種雜質(zhì)，首要有二氧化硅、硅、鐵、鋁、鈣、鎂、碳等。當(dāng)結(jié)晶中熔有較多的碳時(shí)，結(jié)晶是黑色。綠碳化硅較脆，黑碳化硅較韌，前者研磨才能略高于后者。按粒度巨細(xì)，產(chǎn)品分為不同的等級(jí)。我國(guó)磨料職業(yè)規(guī)則，黑碳化硅有17個(gè)等級(jí);綠碳化硅有21個(gè)粒度等級(jí)。80號(hào)及其以上的磨料稱(chēng)磨粒，100～280號(hào)磨料稱(chēng)磨粉。

按用處不同：碳化硅又分為磨料用、耐火資料用、脫氧劑用、電工用碳化硅等。磨料用碳化硅其SiC含量應(yīng)在98%以上。耐火資料用碳化硅又分為(1)高級(jí)耐火資料黑碳化硅，其SiC含量與磨料用碳化硅徹底相同;(2)二級(jí)耐火資料黑碳化硅，SiC含量大于90%;(3)低檔次耐火資料黑碳化硅，SiC含量大于83%。脫氧劑用碳化硅，SiC含量一般要求大于90%。但炭素工業(yè)石墨化爐保溫猜中碳化硅含量大于45%的經(jīng)過(guò)處理也可用做煉鋼脫氧劑。脫氧劑用碳化硅有粉末狀與成型塊兩種。粉末狀脫氧劑黑碳化硅一般有4～0.5mm和0.5～0.1mm兩種粒度。電工用碳化硅有兩種首要類(lèi)別：(1)電熱元件用綠碳化硅，其本質(zhì)與磨料用綠碳化硅徹底一樣。(2)避雷器用碳化硅，其電功用要求特別，不同于磨料用耐火資料用黑碳化硅。

碳化硅的用處

碳化硅制品具有耐高溫、耐磨、耐熱震、耐化學(xué)腐蝕、耐輻射和杰出的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等特別功用，因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)中具有廣泛的用處。在我國(guó)，綠碳化硅首要用做磨料。黑碳化硅用于制造磨具，多用于切開(kāi)和研磨抗張強(qiáng)度低的資料，如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等，一起也用于鑄鐵零件和有色金屬資料的磨削。綠碳化硅制成的磨具，多用于硬質(zhì)合金、鈦合金、光學(xué)玻璃的磨削，一起也用于缸套的珩磨及高速鋼刀具的精磨。立方碳化硅磨具專(zhuān)用于微型軸承的超精磨。用電鍍辦法將碳化硅微粉涂敷于水輪機(jī)葉輪上，可大大提高葉輪的耐磨性;用機(jī)械壓力將立方體SiC200號(hào)磨粉與W28微粉壓入內(nèi)燃機(jī)的汽缸壁上，可延長(zhǎng)缸體壽數(shù)一倍以上。

在電氣工業(yè)中，碳化硅可用做避雷器閥體、硅碳電熱元件、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)發(fā)生器等。在電子工業(yè)中，如在工業(yè)碳化硅爐內(nèi)或在工業(yè)爐上用特別辦法培育出來(lái)大片完好的碳化硅單晶體，可作為發(fā)光二極管(如晶體燈、數(shù)字管燈)的基片;高純碳化硅晶體是制造耐輻射高溫半導(dǎo)體的優(yōu)質(zhì)資料。碳化硅是少量禁帶寬度大(2.86eV)且具有P及n兩種導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體資料之一。

在航天工業(yè)中，用碳化硅制造的燃?xì)鉃V片、燃燒室噴嘴已用于火箭技能中?，F(xiàn)已完成工業(yè)化出產(chǎn)的碳化硅纖維，是一種新式高強(qiáng)度、高模量資料，具有優(yōu)異的耐熱性和耐氧化性，與金屬、樹(shù)脂有杰出的相容性。使用溫度可達(dá)1200℃，高溫下強(qiáng)度堅(jiān)持率可達(dá)80%以上。可用以制造熱屏蔽資料、耐高溫輸送帶、過(guò)濾高溫氣體或熔融金屬的濾布，也可與炭纖維或玻璃纖維復(fù)合用做增強(qiáng)金屬和陶瓷的增強(qiáng)資料。

低檔次的碳化硅可用做煉鋼脫氧劑及鑄鐵添加劑。

在炭素工業(yè)中，碳化硅首要用來(lái)出產(chǎn)煉鐵高爐用磚，如石墨碳化硅、氮化硅結(jié)合的碳化硅磚等。

在石墨電極出產(chǎn)中，碳化硅還用做耐氧化涂層電極的涂層耐火燒結(jié)料的配猜中，以添加涂層對(duì)溫度急劇改變的承受才能。

在特種炭素資料——生物炭的制造中，常以丙烷和三氯甲基硅烷為氣體質(zhì)料，經(jīng)高溫?zé)峤夥错?，在石墨基體上堆積生成含硅熱解炭涂層，以添加制品的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。涂層中的碳化硅以β-SiC的晶型存在，晶粒尺寸為1μm左右。用此法制造的生物炭制品如含硅熱解炭人工心臟瓣膜等，具有很好的生物相容性。

碳化硅主要體現(xiàn)在那幾大領(lǐng)域呢？

在半導(dǎo)體范疇的使用

碳化硅一維納米資料因?yàn)楸旧淼奈⒂^(guān)描摹和晶體結(jié)構(gòu)使其具有更多獨(dú)特的優(yōu)異功用和愈加廣泛的使用遠(yuǎn)景，被普遍認(rèn)為有望成為第三代寬帶隙半導(dǎo)體資料的重要組成單元。

第三代半導(dǎo)體資料即寬禁帶半導(dǎo)體資料，又稱(chēng)高溫半導(dǎo)體資料，首要包含碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅、金剛石等。這類(lèi)資料具有寬的禁帶寬度（禁帶寬度大于2.2ev）、高的熱導(dǎo)率、高的擊穿電場(chǎng)、高的抗輻射才能、高的電子飽和速率等特點(diǎn)，適用于高溫、高頻、抗輻射及大功率器件的制造。第三代半導(dǎo)體資料憑借著其優(yōu)異的特性，未來(lái)使用遠(yuǎn)景非常寬廣。

在光伏范疇的使用

光伏逆變器對(duì)光伏發(fā)電效果非常重要，不只具有直溝通改換功用，還具有最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)電池功用的功用和體系故障維護(hù)功用。歸納起來(lái)有主動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和停機(jī)功用、最大功率盯梢操控功用、防單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)功用（并網(wǎng)體系用）、主動(dòng)電壓調(diào)整功用（并網(wǎng)體系用）、直流檢測(cè)功用（并網(wǎng)體系用）、直流接地檢測(cè)功用（并網(wǎng)體系用）等。

國(guó)內(nèi)逆變器廠(chǎng)家對(duì)新技能和新器件的使用仍是太少，以碳化硅為功率器件的逆變器，而且開(kāi)端大批量使用，碳化硅內(nèi)阻很少，能夠把功率做很高，開(kāi)關(guān)頻率能夠達(dá)到10K，也能夠節(jié)約LC濾波器和母線(xiàn)電容。碳化硅資料在光伏逆變器使用上或有打破。

在航空范疇的使用

碳化硅制造成碳化硅纖維，碳化硅纖維首要用作耐高溫資料和增強(qiáng)資料，耐高溫資料包含熱屏蔽資料、耐高溫輸送帶、過(guò)濾高溫氣體或熔融金屬的濾布等。用做增強(qiáng)資料時(shí)，常與碳纖維或玻璃纖維合用，以增強(qiáng)金屬（如鋁）和陶瓷為主，如做成噴氣式飛機(jī)的剎車(chē)片、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、著陸齒輪箱和機(jī)身結(jié)構(gòu)資料等，還可用做體育用品，其短切纖維則可用做高溫爐材等。

碳化硅粗料已能很多供給，但是技能含量極高 的納米級(jí)碳化硅粉體的使用短時(shí)間不可能構(gòu)成規(guī)模經(jīng)濟(jì)。碳化硅晶片在我國(guó)研制尚屬起步階段，碳化硅晶片在國(guó)內(nèi)的使用較少，碳化硅資料產(chǎn)業(yè)的展開(kāi)缺乏下游使用企業(yè)的支撐。就人才培養(yǎng)和技能研制等展開(kāi)密切合作；加強(qiáng)企業(yè)間的溝通，尤其要積極參加國(guó)際溝通活動(dòng)，提高企業(yè)展開(kāi)水平；重視企業(yè)品牌建造，努力打造企業(yè)的拳頭產(chǎn)品等。

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