碳化硅的应用.doc

碳化硅碳化硅，又称为金钢砂或耐火砂，英文名Silicon Carbide，分子式SiC。纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的 -SiC和立方体的-SiC(称立方碳化硅)。-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。-SiC于2100以上时转变为-SiC。 绿色至蓝黑色。介电常数7。硬度9Mobs。A-是半导体。迁移率(300 K), cm2 / (VS),400电子和50空穴，谱带间隙eV，303(0 K)和2.996(300 K)；有效质量0.60电子和1.00空穴，电导性，耐高温氧化性能。相对密度3.16。熔点2830。导热系数(500 )22. 5 , (1000 )23.7 W / (m2K)。热膨胀系数：线性至100：5.210-6/ ，不溶于水、醇；溶于熔融碱金属氢氧化物。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.203.25，显微硬度为28403320kg/mm2。碳化硅为晶体，硬度高，切削能力较强，化学性能力稳定，导热性能好。 黑碳化硅是以石英砂，石油焦和优质硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉。常用的碳化硅磨料有两种不同的晶体，一种是绿碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于磨硬质含金工具。另一种是黑碳化硅，有金属光泽，含SiC 95%以上，强度比绿碳化硅大，但硬度较低，主要用于磨铸铁和非金属材料。 碳化硅的用途是十分广泛的，目前主要是用作磨料和耐火材料，这两项用途占了碳化硅产量中的大部分。通常磨料用的颗粒粒级很窄，反之耐火材料不同。下面分几个方面介绍碳化处的主要用途。 一、磨料由于碳化硅具有很高的硬度、化学稳定性和一定的韧性，所以是一种用途很广的磨料，可用以制造砂轮、油石、涂附磨具或自由研磨。它主要是用于研磨玻璃、陶瓷、石材等非金属材料、铸铁及某些非铁金属，它与这些材料之间的反应性很弱。由于它是普通废料中硬度最高的材料，所以包常用以加工硬质合金、钛合金、高速钢刀具等难磨材料及修正砂轮用。碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能，是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器，矿斗内衬的理想材料，其耐磨性能是铸铁、橡胶使用寿命的520倍，也是航空飞行跑道的理想材料之一。其中黑色碳化硅和绿色碳化硅的应用也有所差别。黑碳化硅制成的磨具，多用于切割和研磨抗张强度低的材队如玻璃、陶瓷、石料和耐火物氯同时也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削。绿碳化硅制成的磨具，多用于硬质合金、钦合金、光学玻璃的磨削，同时也用于缸缸和高速钢刀具的精磨。由于其优良的耐磨性，碳化硅在冶金选矿行业中也有应用。参见碳化硅在选矿工艺中的应用。 二、耐火材料和耐腐蚀材料这一用途是由于它的高熔点(分解温度)、化学惰性和抗热震性。日前生产碳化硅耐火材料的主要方法包括压制和烧结碳化硅、压制和再结晶碳化硅、浇注和再结晶碳化硅、碳化硅在碳质材料上的气相沉积等。利用碳化硅具有耐高温，强度大，导热性能良好，抗冲击，作高温间接加热材料，广泛用于冶金耐高温材料中，如坚罐蒸馏炉，精馏炉塔盘，铝电解槽，铜熔化炉内衬，锌粉炉用弧型板，热电偶保护管等。目前我国生产的碳化硅耐火材料主要有：磨具、陶瓷制品烧成窑炉中用的棚板；炼锌工业竖罐蒸馏炉和锌精馏塔用的碳化硅砖(Zn和SiC不起反应)等。此外还可制作火箭喷管、燃气轮叶片。铝电解槽、小件炉材、坍塌、保护管、支垫座架等多种碳化硅产品。最近国内外研制的各种反应烧结和热压方法制成的多品碳化硅材料正越来越广泛地应用到各工业部门以代替高级合金工具钢、硬质合金、耐热和耐酸合金，以及用于被电流经过材料的强化热流、化学活性气体，液体介质等的作用所复杂化了的条件下。关于碳化硅耐高温性能方面的应用，还可以参阅碳化硅材料在大型连续渗碳炉中的应用、碳化硅在冶金工业的应用。三、钢铁冶金添加剂在国外，目前碳化硅的最重要的化学用途是作为冶炼钢铁的净化剂，即用作炼钢的脱氧剂和铸铁组织改良剂。碳化硅可在熔融钢水中分解并和钢水中的游离氧、金属氧化物反应生成一氧化碳和含硅炉渣在冶炼铸铁时往往过量地加入碳化硅，以使少量硅进入铁液之中，这一处理净化了铸铁的结构，促进了它制成的铸件的完善。不论在平炉或转炉中都可加入碳化硅。加入的碳化硅或者是以松散的形式，或是以弱结合砖的形式。所用的碳化硅有时是工业纯度(如同磨料碳化硅那样)，但经常用的是所谓火砖，即含SiC85左右的二级品砂，以降低成本。详见碳化硅强脱氧剂在电炉炼钢中的推广应用、碳化硅在电炉熔炼上的应用和应用碳化硅优化高锰钢熔炼中的还原工艺。四、电工用途在电工方面，碳化硅主要是用作加热元件、电阻、二极管、晶体管和热敏器件。碳化硅加热元件常见的是硅碳棒，它适用于11001600工作的各种电炉，低1100时用镍铬丝元件是更经济的，而高于1600时，碳化硅就很容易氧化了。各式避雷器阀片是碳化硅非线性电阻体中最常见的产品。它应用的是含铝的专门冶炼的黑色碳化硅。随着集微电子技术和精密机械加工技术优点于一体的微机电系统(MEMS)的出现和它们被日益广泛地应用，SiC作为高温半导体材料，同时拥有良好的机械性能和电性能，在这一领域也有望得到应用。如可以制成各种耐高温气体传感器、压力传感器等。详见高温半导体材料碳化硅及其在微机电中的应用。五、高技术陶瓷碳化硅高技术陶瓷以其耐磨性、耐高温性、耐腐蚀性尤为突出，已经广泛应用于机械、汽车、宇航、化工、石油等许多工业领域。具体的，碳化硅陶瓷作为结构材料的应用如密封环、研磨介质、防弹板、研磨盘、高温耐蚀部件等。碳化硅陶瓷是高技术陶瓷中的一种，碳化硅陶瓷主要是用亚微米级碳化硅粉制成。由于碳化硅具有极高的硬度，用高技术制得的碳化硅陶瓷，其耐磨性、耐高温、耐腐蚀性更为突出。因此，它已成为各类高技术陶瓷中的佼佼者。碳化硅也是常用的发热元件，纯净的碳化硅是电绝缘体(电阻率为1014欧)，但当含有杂质时，电阻率便会大幅度下降至零点几个欧姆米，加上它有负的电阻温度系数，因此碳化硅也可用于陶瓷电热材料中。详见碳化硅高技术陶瓷及其应用和陶瓷电热材料的研究与应用。五、化工原料碳化硅可作为制造四氯化硅(SiCl4)的原料，即用SiC和氯气在9001200的反应来制取SiCl4。它是硅树脂工业的重要原料，在这里也是用二级品碳化硅较为经济。其反应方程式如下：SiC + 2Cl2 SiCl4 + C(无定形碳)碳化硅也可用于强化工业硅的熔炼过程。工业硅的熔炼过程是碳化硅的产生和破坏的过程。为了提高反应过程的效率，可以利用碳化硅代替部分碳质还原剂，熔炼工业硅的过程反应如下：SiO2 + 3C = SiC + 2CO (1)Si + SiC = Si + SiO + CO (2)SiO + SiC = 2Si + CO (3)SiO2 +2SiC = 3Si + 2CO (4)具体原理与操作参见碳化硅在工业硅生产中的应用。六、纳米材料随着纳米科技的兴起，碳化硅在纳米材料领域的应用也日益受到人们的关注，如SiC纳米粉体、SiC纳米晶须、SiC同轴纳米电缆等。SiC材料是人造共价键化合物材料，以其优异的高温强度、高热导率、高耐磨性和耐腐蚀性，在航空航天、汽车、机械、电子、化工等工业领域得到广泛的应用。但传统SiC材料本身的缺陷(如脆性)使其无法满足现代科学技术的苛刻要求。纳米技术的诞生为SiC材料的制备开辟了新的途径。SiC纳米粉体，是指粒径在l 100nm之间的SiC超微粒子，性能更为优异的SiC纳米材料可以克服SiC传统材料的缺陷，而且应用也必将更加广泛。近年来国内外诸多学者已经利用纳米技术研究发明了各种各样制备SiC纳米材料的方法。虽然目前正在研究的SiC纳米材料的制备方法都存在产量小、成本高、工序复杂等缺点，但是生产高附加值的SiC产品必将成为今后的趋势。具体研究参见碳化硅纳米材料研究进展、SiC纳米材料制备及应用和碳化硅晶须的制备及其在复合材料增韧中的应用。七、其他 碳化硅可以配制成远红外幅射涂料或制成碳化硅板用于远红外幅射干燥器中。 碳化硅纤维正在一些国家组织生产，可作为复合结构材的组分。由此可见，碳化硅是一种广泛应用的人造磨料和工程材料。国外某些厂商碳化硅生产的特点是多牌号和开展综合科用，以适应各部门应用的需要，并可做到物尽其才，提高生产厂的经济效益这一点很值得我们重视。目前我国各砂轮厂生产的碳化硅绝大部份是用作磨料，而冶炼炉中产生的大量二级品碳化硅没有用武之地，只能用于回炉冶练，这是很不经济的。它会显著降低炉的热效率。最后，谈一下碳化硅在半导体线切割领域的应用（实际上这也是对碳化硅耐磨性的应用），以及砂浆中碳化硅的回收问题。作为传统的磨料，碳化硅由于其自身的高强度、高硬度性能，被广泛使用于半导体线切割，尤其是单晶硅的内圆切割。对应此类碳化硅微粉，有一系列的标准，主要包括粒度、化学成分、颗粒形状、堆积密度、表面清洁度、酸碱残留物含量等方面。可参照碳化硅微粉应用新领域半导体线切割一文。由于碳化硅的硬度仅次于金刚石，因此是用于研磨或切削其它金属或非金属的理想材料。碳化硅属于人工合成材料，尽管因其独有的理化性能已经成为一种人类工业中非常重要的合成材料之一，但其合成过程却是不折不扣的高耗能、高污染行业。碳化硅的制备合成主要是通过将石英砂与石油焦等原料按一定比例混合后，在常压隔氧的高温条件下烧结反应而成，这一反应过程需要消耗大量的能源，平均每合成一吨碳化硅需消耗高达8000Kwh的电能，同时上述反应过程会释放出大量的CO, NO, SO2等有害废气，将对大气环境造成较严重的污染。使用碳化硅微粉作为介质用于专用线切割设备上加工硅晶切片，其作用原理是使碳化硅微粉颗粒持续快速冲击硅棒表面，利用碳化硅颗粒的坚硬特性和颗粒表面的锋利菱角将硅棒逐步截断。为了确保硅棒被切割开的表面光滑均匀，就要求所使用的碳化硅颗粒的粒度分布必须非常集中，以保持均一的切口尺寸。通常用于硅晶切片的碳化硅微粉牌号为JIS 800-JIS1500，其对应的表征颗粒细度和均一度的指标D50值在16.5m-8.0m之间，D50值越小，所得硅片的断面规整度越好。由于这种切割实际上是以颗粒高速碰撞和摩擦达到截断被切物的目的，属于物理过程，而碳化硅颗粒的物性又是坚硬且脆，因此在硅棒切割过程中，必然伴随着碳化硅颗粒间的碰撞与摩擦，使得经过一次切削后的碳化硅颗粒整体发生破碎，并夹杂着部分被切削下的硅碎粒和钢线磨损所产生的金属微粒，从而导致经过切削后的碳化硅颗粒分布大大变宽，D50值下降，无效的细碎颗粒大幅增多(不能参与有效切割过程)，颗粒中的杂质大幅增加，在不进行有效的处理的情况下，没有再次使用的价值，通常的处理办法是作为工业废渣进行排放填埋。在这种情况下，价格昂贵的碳化硅微粉新料实际上只使用一次就被作为工业废物进行填埋处理，不仅