碳化硅的性能

1、碳化硅的性能及定义天然的碳化硅很少，工业上使用的为人工合成原料，俗称金刚砂，是一种 典型的共价键结合的化合物。碳化硅是耐火材料领域中最常用的非氧化物耐火原 料之一。(1)碳化硅的性质碳化硅主要有两种结晶形态：b-SiC和a-SiC。b-SiC为面心立方闪锌矿型结构， 晶格常数a=0.4359nni a-SiC是SiC的高温型结构，届六方晶系，它存在着许多 变体。碳化硅的折射率非常高，在普通光线下为 2.6767-2.6480.各种晶型的碳化硅的 密度接近，a-SiC 一般为3.217g/cm3, b-SiC为3.215g/cm3.纯碳化硅是无色透明 的，工业SiC由丁含有游离Fe、Si、C等杂

2、质而成浅绿色或黑色。绿碳化硅和黑 碳化硅的硬度在常温和高温下基本相同。SiC热膨胀系数不大，在25-1400C平 均热膨胀系数为4.5 X 10-6/C。碳化硅具有很高的热导率，500C时为64.4W/ (m - K)。常温下SiC是一种半导体。碳化硅的基本性质歹0丁下表。性质指标性质指标摩尔质量/(g/mol)颜色密度 /(g/cm 3)40.097纯SiC色，添加B、N、Al为棕色a-SiC 3.217g/cm 3b-SiC 3.215g/cm 3德拜温度/Ka-SiC 1200b-SiC 1430能隙/eVa-SiC (6切 2.86b-SiC 2.60超导转变温度/K5摩尔热谷/J/(

3、mol - K)a-SiC 27.69b-SiC 28.63弹性模量/GPa293K为 4751773K为 441生成热(198.15K时)/(kJ/mol)a-SiC 25.73 土 0.63b-SiC 28.03 土 2.00弹性模量/GPa192热导率 /W/(m - K)a-SiC 40.0b-SiC 25.5体积模量/GPa96.6线膨胀系数/(10-6/K)a-SiC 5.12b-SiC 3.80泊松比n0.142300K时的介电常数a-SiC(6H)9.6610.03b-SiC 9.72抗弯强度/Mpa350600电阻率/Q-m_-3a-SiC 0.001510b-SiC 10

4、-2106耐腐蚀性在室温下几乎是惰性碳化硅具有耐高温、耐磨、抗冲刷、耐腐蚀和质量轻的特点。碳化硅在高温下的氧化是其损害的主要原因。(2)碳化硅的合成碳化硅的冶炼方法 合成碳化硅所用的原料主要是以SiO2为主要成分的脉石 英或石英砂与以C为主要成分的石油焦，低档次的碳化硅可用地灰分的无烟煤为 原料。辅助原料为木屑和食盐。碳化硅有黑、绿两种。冶炼绿碳化硅时要求硅质原料中SiO2含量尽可能高，杂 质含量尽量低。生产 黑碳化硅时，硅质原料中的SiO2可稍低些。对石油焦的要 求是固定碳含量尽可能高，灰分含量小丁 1.2%,挥发分小丁 12.0%,石油焦的粒 度通常在2m威1.5mm以下。木屑用丁调整炉料

5、的透气性能，通常的加入量为3% 5% (体积)。食盐仅在冶炼绿碳化硅时使用。硅质原料与石油焦在20002500C的电阻炉内通过以下反应生成 碳化硅：SiO2+3ASiC+2COT -526.09KjCO通过炉料排出。加入食盐可与 Fe、Al等杂质生成氯化物而挥发掉。木屑使物 料形成多孔烧结体，便丁 CO气体排出。碳化硅形成的特点是不通过液相，其过程如下：约从170OC开始，硅质原料由砂粒变为熔体，进而变为蒸汽(白烟)；SiO2熔体和蒸汽钻进碳质材料的气孔， 渗入碳的颗粒，发生生成Sic的反应；温度升高至17001900C时，生成b-SiC； 温度进一步升高至19002000C时，细小的b-Si

6、C转变为a-SiC , a-SiC晶粒逐 渐长大和密实；炉温再升至2500C左右，SiC开始分解变为硅蒸汽和石墨。大规模生产碳化硅所用的方法有艾奇逊法和ESK法。艾奇逊法 传统的艾奇逊法电阻炉的外形像一个长方形的槽子， 它是有耐火砖砌 成的炉床。两组电极穿过炉墙深入炉床之中，专用的石墨粉炉芯体配置在电极之 问，提供一条导电通道，通电时下产生很大的热量。炉芯体周围装盛有硅质原料、 石油焦和木屑等组成的原料，外部为保温料。熔炼时，电阻炉通电，炉芯体温度上升，达到 260OC左右，通过炉芯体表面传 热给周围的混合料，使之发生反应生成 碳化硅，并逸出CO气体。一氧化碳在炉 表面燃烧生成二氧化碳，形成一

7、个柔和、起伏的蓝色至黄色火焰毡被，一小部分 为燃烧的一氧化碳进入空气。待反应完全并冷却后，即可拆除炉墙，将炉料分层 分级拣选，经破碎后获得所需粒度，通过水洗或酸碱洗、磁选等除去杂质，提高 纯度，再经十燥、筛选即得成品。艾奇逊法设备简单、投资少，广泛为石阶上冶炼SiC的工厂所采用。但该法的主 要缺点在于无法避免粉尘和废气造成的污染， 冶炼过程排出的废气无法收集和再 利用，无法减轻取料和分级时的繁重体力劳动，同时炉子的长度也不够，通常仅几米至几十米长，生产经济性不高。ESK法1973年，德国ESK司对艾奇逊法进行了改进，发展了 ESK&。Esk法 的大型SiC冶炼炉建立在户外，没有端墙和侧

8、墙，直线性或U型电极位于炉子底 部，炉长达60m用聚乙烯袋子进行密封以回收炉内逸出的气体，提取硫后将其 通过管道小型火电厂发电。该炉可采用成本低、活性高、易反应的高硫分石油焦 或焦炭作为原料，将原料硫含量由原来的 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、液相法和气相 法三种。固相法是通过二氧化硅和碳发生碳热还原反应或硅粉和炭黑细粉直接在惰性气余中发生反应而制得碳化硅细粉。可以通过机械法将艾奇逊法或 ESK&冶炼的碳 化硅加工成SiC细粉。目前该方法制得的细粉表面积115n2/g，氧化物含量1.0% 左右，金届杂质含量14002800ppm( 1p

9、pm=10)。其细度和成分取决于粉碎、酸 洗等后续处理工艺和手段。 碳化硅粉末也可以由竖炉或高温回转窑连续化生产， 可获得高质量的b-SiC粉体。SiO2细粉与碳粉混合料在竖炉的惰性气余中，在低 于2000C的温度下发生热还原反应，合成 b-SiC粉体。所获得的SiC的粒度为 微米级。但往往含有非反应的SiO2和C,需进行后续的酸洗和脱碳处理。利用高 温回转窑也可生产出高质量的 SiC细粉。液相反应法可制备高纯度、纳米级的SiC微粉，而且产品均匀性好，是一种具有 良好发展前景的方法。液相反应法制备SiC微粉主要分为溶胶-凝胶法和聚合物热分解法等。溶胶-凝胶法制备SiC微粉的核心是通过溶胶-凝胶反应过程，形成 Si和C在分子水平上均匀分布的混合物或聚合物固体，升温过程中，首先形成SiO2和C的均匀混合物，然后在14001600C温度下发生碳热还原反应生成 SiC。 聚合物热分解法主要是指