碳化硅工業(yè)生產(chǎn)輔導(dǎo)資料

1、樺南報春磨料有限公司前 言碳化硅為一種典型的共價鍵結(jié)合的化合物，它在自然界中不存在，屬于人工合成制造的材料。碳化硅材料有許多優(yōu)異的性能，如耐磨削、耐高溫、耐腐蝕、高熱導(dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性、寬帶隙以及高電子遷移率等。由于碳化硅的超常硬度，最初應(yīng)用于各種磨削工具、如砂輪、砂布、砂及各種磨料，在機(jī)械行業(yè)材料加工與磨削時大量使用，后來又作為鋼鐵冶煉中的還原劑與加熱元件。從而又發(fā)現(xiàn)它還有高溫?zé)岱€(wěn)定性、高熱傳導(dǎo)性、耐酸堿腐蝕性、低膨脹系數(shù)、抗熱震好等等一系列的優(yōu)良性能。在!" 年代中期，美國科學(xué)家首先成功以亞微米級的!# $%& 和少量硼、碳添加劑為原料，通過無壓燒結(jié)工藝技術(shù)，成功制作出致

2、密碳化硅陶瓷。后來，碳化硅燒結(jié)成陶瓷材料，制作成各種陶瓷部件取代原金屬部件獲得成功。我國" 年代許多單位都能生產(chǎn)碳化硅陶瓷制品，其中利用反應(yīng)燒結(jié)法制成的精密陶瓷碳化硅密封環(huán)、圈、墊及燒成用噴嘴等，獲得廣泛應(yīng)用，如用作汽車、潛艇、化工、石油等行業(yè)的碳化硅密封圈在解決油封、液體密封方面取得非常好的效果。利用碳化硅結(jié)合氮化硅制造陶瓷發(fā)動機(jī)的研究亦有突破性進(jìn)展。目前，世界$(& 總產(chǎn)量約)*" 萬噸+ 年，中國產(chǎn)量最大，約占,"-，年產(chǎn)量約.* 萬噸左右。作為世界最大的碳化硅生產(chǎn)國與出口國，中國碳化硅的產(chǎn)銷對于世界碳化硅行業(yè)有著重要影響。但我國碳化硅行業(yè)目前絕大多

3、數(shù)生產(chǎn)企業(yè)仍采用舊生產(chǎn)工藝，而且生產(chǎn)技術(shù)十分落后。其生產(chǎn)特點(diǎn)是爐型小，供電時間短，生產(chǎn)周期短，產(chǎn)品檔次不高。提高生產(chǎn)工藝技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、開發(fā)新產(chǎn)品是當(dāng)務(wù)之急。本書集理論與實踐于一體，對碳化硅生產(chǎn)原料、結(jié)構(gòu)性能、合成工藝技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)條件、燒結(jié)技術(shù)、粉末制備技術(shù)及設(shè)備、碳化硅陶瓷材料制備、碳化硅質(zhì)耐火材料制作技術(shù)作了詳細(xì)闡述，是現(xiàn)今碳化硅生產(chǎn)技術(shù)的集成5第一章碳化硅生產(chǎn)原料概述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，以及以c 為主成分的石油焦，低檔次的碳化硅也有以灰分低的無煙煤為原料的。輔助原料有木屑和食鹽。脈石英是一種火成巖，由酸性巖漿分異后發(fā)育于其它巖石的縫

4、隙之中形成礦脈。其中有些呈乳白色半透明的礦石是制造碳化硅的優(yōu)質(zhì)原料。石英砂包括河沙、海沙和湖沙，是一種沉積砂礦，由含石英的礦石經(jīng)自然力破碎、沖擊而成，其中成分、粒度適宜者就可以做為冶煉碳化硅的原料，目前此種原料應(yīng)用更為普遍。碳化硅有黑、綠兩個品種。冶煉綠碳化硅時要求硅質(zhì)原料中sio2的含量盡可能高，雜質(zhì)含量盡可能低；而冶煉黑碳化硅時，硅質(zhì)原料中的sio2含量可以稍低些。表11為對硅質(zhì)原料的成分要求。表11硅質(zhì)原料的技術(shù)要求冶煉sic品種sio2含量（）loi（%）殘渣量（）綠色碳化硅99.30.40.6黑色碳化硅98.50.41.0硅質(zhì)原料的粒度也是很重要的，一般可采用6#20# 混合粒度砂。

5、粒度過粗會影響表面活性；過細(xì)則會降低爐料透氣性。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這樣才能提高碳化硅的產(chǎn)量與質(zhì)量。石油焦的粒度通?？刂圃?mm或1.5mm以下，冶煉爐功率較大時粒度可適當(dāng)放粗一些。但是若石油焦粒度過粗，則c與sio2的反應(yīng)不易完全，碳化硅結(jié)晶層里容易夾雜炭粒。冶煉黑碳化硅要用到木屑，木屑是用來調(diào)整爐料透氣性能的。對其技術(shù)要求無特別規(guī)定，但不要混入較多明顯的不潔物。木屑在爐料中的比例，因石英砂粒度的不同而在0%10%（體積百分?jǐn)?shù)）范圍內(nèi)變動，一般約為35%（體積百分?jǐn)?shù)）。食鹽僅在冶煉綠碳化硅時采用。關(guān)于食鹽的作用說法不一，有說它可以加速排除雜質(zhì)

6、，也有說它可起催化作用。但不管如何，目前冶煉綠碳化硅時都要加入食鹽，加入量通常為6%8%。第二章 碳化硅結(jié)構(gòu)及性能第一節(jié)碳化硅晶體結(jié)構(gòu)天然的碳化硅即碳硅石（又稱莫桑石）很少，工業(yè)上使用的碳化硅是一種人工合成的材料，俗稱金剛砂。1891年由美國科學(xué)家艾奇遜首先以工業(yè)規(guī)模合成出這種人造礦物，1904年法國人莫桑，首次在美國亞歷山大州的隕石里發(fā)現(xiàn)了這種物質(zhì)；后來在金伯利巖（也稱角礫云母橄欖巖）中也有所發(fā)現(xiàn)，但含量甚微，沒有開采價值。目前工業(yè)上所使用的碳化硅全部是人工合成產(chǎn)品。碳化硅是耐火材料領(lǐng)域最常用的非氧化物耐火原料之一。以碳化硅為原料生產(chǎn)的粘土結(jié)合碳化硅、氧化物結(jié)合碳化硅、氮化硅結(jié)合碳化硅、重結(jié)

7、晶碳化硅、反應(yīng)燒結(jié)滲硅碳化硅等制品以及不定形耐火材料廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè)的高爐、煉鋅爐，陶瓷工業(yè)的窯具等。碳化硅分子式為四面體，硅原子位于中心，周圍為碳原子。分子量為40.07，其中含si70.045%,含c29.955。以共價鍵為主（共價鍵占88）結(jié)合而成的化合物，其基本單元為sic四面體，硅原子位于中心，周圍為碳原子。所有結(jié)構(gòu)的sic均由sic四面體堆積而成，所不同的只是平行堆積或者反平行堆積（如圖11所示）。第二節(jié)碳化硅的化學(xué)成分工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅砂除主成分sic外，通常含有2%5%的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)主要有：1、游離硅。它一部分溶解于sic晶體中，一部分與其雜質(zhì)（如鐵、鋁、鈣等）形成合金而粘附

8、于晶體上或嵌在晶體中。2、游離二氧化硅。通常存在于晶體表面。大都是由于電阻爐冷卻過程中sic與空氣中氧氣或水蒸汽接觸氧化而生成的。當(dāng)配料中硅質(zhì)原料過剩時，它也會通過蒸發(fā)、凝聚在碳化硅晶體表面上。爐內(nèi)還可能出現(xiàn)白色絨毛狀sio2。3、碳。碳一部分包裹在sic晶體，一部分和金屬雜質(zhì)形成碳化物。當(dāng)配料中碳過量時，可看到明顯的游離狀態(tài)的碳粒。4、鐵、鋁、鈣、鎂等。由于爐內(nèi)的高溫還原氣氛，含在結(jié)晶塊中的這些雜質(zhì)大都呈合金狀態(tài)或碳化物狀態(tài)。鐵、鎂、鈣等雜質(zhì)不進(jìn)入!"# 晶格，而堆積在晶粒的界面上和氣孔中。進(jìn)入sic晶格的主要雜質(zhì)有氮、鋁、硼等，它們對晶體的導(dǎo)電性有重要影響。第三節(jié)碳化硅的色澤純碳

9、化硅是無色透明的結(jié)晶，工業(yè)碳化硅則有無色、淡黃色、淺綠色、深綠色、淺藍(lán)色、深藍(lán)色乃至黑色，透明程度依次降低。按色澤一般將碳化硅分為黑碳化硅（國內(nèi)常用代號c 表示）和綠碳化硅（代號gc）兩類。其中從無色的直到深綠色的sic都?xì)w入綠碳化硅；暗藍(lán)色的至黑色的則都?xì)w入黑碳化硅。碳化硅呈色的原因還未完全清楚。一般認(rèn)為，多與各種雜質(zhì)的存在有關(guān)。當(dāng)結(jié)晶中溶有較多的碳時，sic結(jié)晶呈黑色；鋁對sic色澤有較大影響，能使sic結(jié)晶呈棕黑色或黑色；硼也能使sic結(jié)晶呈黑色；鐵的存在對綠碳化硅的形成無影響；有些稀土氧化物能使sic結(jié)晶呈綠色或深綠色。另外，氮原子在sic結(jié)晶中的分散，能使結(jié)晶變綠色。氮原子的濃度越大，則sic結(jié)晶顏色越深。碳化硅的色澤與結(jié)晶類型之間有一定的統(tǒng)計關(guān)系。綠碳化硅基本上都是6h型為主。由化學(xué)