碳化硅的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和用途

1、碳化硅的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和用途【摘要】SiC陶瓷材料因其具有良好的耐磨、耐沖刷、耐腐蝕等優(yōu)異的特性 ，被廣泛應(yīng)用 機(jī)械、化工等行業(yè)。本文采用雙向加壓的壓制成型方法 ，通過無壓燒結(jié)，成功的研制了在高耐 磨、耐沖刷環(huán)境下所使用的噴砂機(jī)用噴砂嘴。【關(guān)鍵字】引言結(jié)構(gòu)與晶型碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，又稱碳硅石是一種典型的共價(jià)鍵結(jié) 合的化合物，白然界幾乎不存在。碳化硅晶格的基本結(jié)構(gòu)單兀是相互 穿插的SiC4和CSi4四面體。四面體共邊形成平面層，并以頂點(diǎn)與 下一疊層四面體相連形成三維結(jié)構(gòu)。SiC具有a和6兩種晶型。3一SiC的晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系，Si和C分別組成面心立方晶格；也一SiC 存在著4H、15R和6H

2、等100余種多型體，其中，6H多型體為工業(yè) 應(yīng)用上最為普遍的一種。在SiC的多種型體之間存在著一定的熱穩(wěn)定 性關(guān)系。在溫度低于1600 C時(shí)，SiC以（3 SiC形式存在。當(dāng)高于 1600 C時(shí)，6 SiC緩慢轉(zhuǎn)變成 a- SiC的各種多型體。4H SiC在 2000 C左右容易生成；15R和6H多型體均需在2100 C以上的高溫 才易生成；對(duì)于6H SiC ,即使溫度超過2200 C,也是非常穩(wěn)定的。 常見的SiC多形體列于下表：SiC常見多型體及相應(yīng)的原子排列多型體晶體結(jié)構(gòu)單位晶胞中參數(shù)原子排列次序C ( 6 - SiC )六方1ABCABCABC2H ( a -SiC)六方2ABABAB

3、4H ( a -SiC)六方4ABACABAC6H ( a -SiC)六方6ABCACBABCACBA8H ( a -SiC)六方8ABCABACBA15R (也-SiC)菱方15ABCACBCABACABC性能碳化硅（SiC）陶瓷，具有抗氧化性強(qiáng)，耐磨性能好，硬度高， 熱穩(wěn)定性好，高溫強(qiáng)度大，熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率大以及抗熱震和耐 化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性。因此，已經(jīng)在石油、化工、機(jī)械、航天、核能 等領(lǐng)域大顯身手，日益受到人們的重視。例如，SiC陶瓷可用作各類軸承、滾珠、噴嘴、密封件、切削工具、燃汽渦輪機(jī)葉片、渦輪增壓 器轉(zhuǎn)子、反射屏和火箭燃燒室內(nèi)襯等等。制備與燒結(jié)碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）

4、、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí) 需要加食鹽）等原料在電阻爐內(nèi)經(jīng)高溫冶煉而成。碳化硅陶瓷的燒結(jié) 方法有：無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)。采用采用 不同的燒結(jié)方法，SiC陶瓷具有各異的性能特點(diǎn)。如就燒結(jié)密度和抗 彎強(qiáng)度來說，熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)SiC陶瓷相對(duì)較多，反應(yīng)燒結(jié) SiC相對(duì)較低。另一方面，SiC陶瓷的力學(xué)性能還隨燒結(jié)添加劑的不 同而不同。無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié) SiC陶瓷對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿具 有良好的抵抗力，但反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷對(duì)HF等超強(qiáng)酸的抗蝕性較差。 就耐高溫性能比較來看，當(dāng)溫度低于 900C時(shí)，幾乎所有SiC陶瓷強(qiáng) 度均有所提高；當(dāng)溫度超過1400C時(shí)，反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷

5、抗彎強(qiáng)度 急劇下降。對(duì)于無壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的 SiC陶瓷，其耐高溫性能 主要受添加劑種類的影響?？傊?，SiC陶瓷的性能因燒結(jié)方法不同而 不同。一般說來，無壓燒結(jié)SiC陶瓷的綜合性能優(yōu)于反應(yīng)燒結(jié)的 SiC 陶瓷，但次于熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)的 SiC陶瓷。用途碳化硅晶片屬于寬帶隙半導(dǎo)體材料， 是第三代半導(dǎo)體材料，是未 來可以替代硅作芯片的材料，將會(huì)引起電子行業(yè)革命性的變革。目前 的主要用途是LED固體照明和應(yīng)用于高頻大功率的無線通訊。手機(jī)和 筆記本電腦的背景光市場(chǎng)將給碳化硅巨大的需求增長(zhǎng)。碳化硅晶片具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電 壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半

6、導(dǎo)體微電子器件 和電路的理想材料，在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國(guó)防 等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著第三代高溫寬帶隙半導(dǎo)體材料的發(fā) 展，未來碳化硅將革命性的取代硅的半導(dǎo)體芯片原料地位，從而提供給人類抗高溫、體積小、壽命長(zhǎng)、抗輻射的芯片。目前制約SiC晶片發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)在于晶體生長(zhǎng)和晶片的切割和 拋光，后者決定了產(chǎn)品的良品率和成本。SiC晶片是高技術(shù)壁壘，而不是資金壁壘由于SiC晶體生長(zhǎng)難度大，造成SiC晶體生長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn) 展緩慢。1、有色金屬冶煉工業(yè)的應(yīng)用利用碳化硅具有耐高溫，強(qiáng)度大，導(dǎo)熱性能良好，抗沖擊，作高 溫間接加熱材料，如堅(jiān)罐蒸館爐。精館爐塔盤，鋁電解槽，銅熔化爐 內(nèi)襯，鋅粉爐用弧

7、型板，熱電偶保護(hù)管等。2、鋼鐵行業(yè)方面的應(yīng)用利用碳化硅的耐腐蝕?？篃釠_擊耐磨損。導(dǎo)熱好的特點(diǎn)，用于大型高爐內(nèi)襯提高了使用壽命。3、冶金選礦行業(yè)的應(yīng)用碳化硅硬度僅次于金剛石，具有較強(qiáng)的耐磨性能，是耐磨管道、 葉輪、泵室、旋流器，礦斗內(nèi)襯的理想材料，其耐磨性能是鑄鐵.橡 膠使用壽命的520倍，也是航空飛行跑道的理想材料之一。4、建材陶瓷，砂輪工業(yè)方面的應(yīng)用利用其導(dǎo)熱系數(shù)。熱輻射，高熱強(qiáng)度大的特性，制造薄板窯具，不僅能減少窯具容量，還提高了窯爐的裝容量和產(chǎn)品質(zhì)量， 縮短了生 產(chǎn)周期，是陶瓷釉面烘烤燒結(jié)理想的間接材料。 碳化硅具有很高的硬 度，化學(xué)穩(wěn)定性和一定的韌性，所以碳化硅能用于制造固結(jié)磨具、涂

8、附磨具和白由研磨，從而用來加工玻璃、陶瓷、石材、鑄鐵及某些非 鐵金屬、硬質(zhì)合金、鈦合金、高速鋼刀具和砂輪等。5、節(jié)能方面的應(yīng)用利用良好的導(dǎo)熱和熱穩(wěn)定性，作熱交換器，燃耗減少 20%節(jié)約 燃料35%使生產(chǎn)率提高20-30%特別是礦山選廠用排放輸送管道的 內(nèi)放，其耐磨程度是普通耐磨材料的 6-7倍。耐火材料和耐腐蝕材料-主要是因?yàn)樘蓟杈哂懈呷埸c(diǎn)(分解溫度)、化學(xué)惰性和抗熱振性，所以碳化硅能用于磨具、陶瓷制品燒成窯爐中用的棚板和匣缽、煉鋅工業(yè)豎缸蒸館爐用的碳化硅磚、鋁電解槽襯、土甘鍋、小件爐材等多種碳化硅陶瓷制品。結(jié)束語：SiC陶瓷在許多工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用顯示了優(yōu)良的性能，因而應(yīng)起 了人們的普遍重視。在無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域中SiC陶瓷是一個(gè)很大的 家族，其觸角幾乎伸遍了所有的工業(yè)領(lǐng)域。 但是由于SiC陶瓷的難燒 結(jié)性，因而它的制作工藝和生產(chǎn)都較昂貴， 降低SiC陶瓷的燒成溫度 和尋找廉價(jià)的生產(chǎn)工藝乃是材料工作者的研究重點(diǎn)。同時(shí)挖掘和開發(fā) SiC陶瓷(粉末)的所有優(yōu)點(diǎn)造福于人類也是我們的工作重點(diǎn)。SiC陶瓷由他廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：1錢軍民，崔凱，艾好，等，多孔陶瓷制備技術(shù)