碳化硅的性能

1、碳化硅的性能及定義 天然的碳化硅很少，工業(yè)上使用的為人工合成原料，俗稱(chēng)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(xiàn)下為2.67672.6480.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。

2、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251400平均熱膨脹系數(shù)為4.510-6/。碳化硅具有很高的熱導(dǎo)率，500時(shí)為64.4W/(mK)。常溫下SiC是一種半導(dǎo)體。碳化硅的基本性質(zhì)列于下表。性質(zhì)指標(biāo)性質(zhì)指標(biāo)摩爾質(zhì)量/(g/mol)顏色密度/(g/cm3)40.097純SiC為黃色，添加B、N、Al為棕色a-SiC 3.217g/cm3b-SiC 3.215g/cm3德拜溫度/Ka-SiC 1200b-SiC 1430能隙/eVa-SiC（6H） 2.86b-SiC 2.60超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度/K5摩爾熱容/J/(molK)a-SiC 27.69 b-SiC 28.

3、63彈性模量/GPa293K為4751773K為441生成熱（198.15K時(shí)）/(kJ/mol)a-SiC 25.730.63b-SiC 28.032.00彈性模量/GPa192熱導(dǎo)率/W/(mK)a-SiC 40.0b-SiC 25.5體積模量/GPa96.6線(xiàn)膨脹系數(shù)/(10-6/K)a-SiC 5.12b-SiC 3.80泊松比n0.142300K時(shí)的介電常數(shù)a-SiC(6H)9.6610.03b-SiC 9.72抗彎強(qiáng)度/Mpa350600電阻率/ma-SiC 0.0015103b-SiC 10-2106耐腐蝕性在室溫下幾乎是惰性碳化硅具有耐高溫、耐磨、抗沖刷、耐腐蝕和質(zhì)量輕的特點(diǎn)。

4、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2000250

5、0的電阻爐內(nèi)通過(guò)以下反應(yīng)生成碳化硅：SiO2+3CSiC+2CO-526.09KjCO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籗iO2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17001900時(shí)，生成b-SiC；溫度進(jìn)一步升高至19002000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４笠?guī)模生產(chǎn)碳化硅所用的方法

6、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(zhuān)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?chē)b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?chē)幕旌狭?，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

7、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(chǎng)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(hù)外，沒(méi)有端墻和側(cè)墻，直線(xiàn)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(chǎng)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

8、炭作為原料，將原料硫含量由原來(lái)的1.5%提高到5.0%。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。可以通過(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115m2/g,氧化物含量1.0%左右，金屬雜質(zhì)含量14002800ppm（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14001600溫度下發(fā)生碳熱還原反應(yīng)生成SiC。聚合物熱分解法主要是指加熱聚