新宇剛玉為您介紹碳化硅的結(jié)構(gòu)性能和用途

時間：2020-01-05作者：鄭州市新宇剛玉廠瀏覽：1001

碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成，又稱碳硅石，是一種典型的共價鍵結(jié)合的化合物，自然界幾乎不存在。碳化硅晶格的基本結(jié)構(gòu)單元是相互穿插的SiC4和CSi4四面體。四面體共邊形成平面層，并以**點(diǎn)與下一疊層四面體相連形成三維結(jié)構(gòu)。SiC具有α和β兩種晶型。β－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；α－SiC存在著4H、15R和6H等100余種多型體，其中，6H多型體為工業(yè)應(yīng)用上較為普遍的一種。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**1600℃時，SiC以β－SiC形式存在。當(dāng)**1600℃時，β－SiC緩慢轉(zhuǎn)變成α－SiC的各種多型體。4H－SiC在2000℃左右*生成；15R和6H多型體均需在2100℃以上的高溫才易生成；對于6H－SiC，即使溫度**過2200℃，也是非常穩(wěn)定的。

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。 它具有抗氧化性、電學(xué)性質(zhì)、發(fā)光性、物理機(jī)械性能四大性能。

一、抗氧化性

碳化硅有較好的抗氧化性，這主要是由于當(dāng)碳化硅材料在空氣中加熱到一千三百度的時候，在其碳化硅晶體表面開始生成二氧化硅保護(hù)層。隨著保護(hù)層的加厚，阻止了內(nèi)部碳化硅繼續(xù)被氧化。當(dāng)溫度達(dá)到一千六百二十七度以上時，二氧化硅保護(hù)膜開始被破壞，碳化硅氧化作用加劇，所以這是碳化硅在含氧化劑氣氛下的較高工作溫度。

二、電學(xué)性質(zhì)

我們知道在常溫下工業(yè)碳化硅是一種半導(dǎo)體，屬雜質(zhì)導(dǎo)電性。高純度碳化硅隨著溫度的升高電阻率下降，碳化硅含雜質(zhì)不同，導(dǎo)電性能不同。

三、發(fā)光性

碳化硅具有電致發(fā)光性，目前已經(jīng)被研究出來應(yīng)用于實(shí)用器件。

四、物理機(jī)械性能

碳化硅的密度：各種碳化硅晶形的顆粒密度十分接近，碳化硅磨料的自然堆積密度在每立方毫米在一點(diǎn)二至一點(diǎn)六毫克之間。

碳化硅的硬度：碳化硅的莫氏硬度為九點(diǎn)二，威氏顯微密硬度每平方毫米在三千到三千三百公斤，努普硬度為每毫米兩千六百七十到兩千八百一十五之間，在磨料中**剛玉而僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼。

碳化硅的導(dǎo)熱率：碳化硅制品具有很好地導(dǎo)熱率，熱膨脹系數(shù)較小，同時抗熱震性很高，從而成為了優(yōu)質(zhì)的耐火材料。

制備與燒結(jié) 

碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產(chǎn)綠色碳化硅時需要加食鹽)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陶瓷相對較多，反應(yīng)燒結(jié)SiC相對較低。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HF等**強(qiáng)酸的抗蝕性較差。就耐高溫性能比較來看，當(dāng)溫度**900℃時，幾乎所有SiC陶瓷強(qiáng)度均有所提高；當(dāng)溫度**過1400℃時，反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷抗彎強(qiáng)度急劇下降。對于無壓燒結(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**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*三代半導(dǎo)體材料，是未來可以替代硅作芯片的材料，將會引起電子行業(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將給碳化硅巨大的需求增長。

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*等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著*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、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晶體生長難度大，造成SiC晶體生長產(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，如堅罐蒸餾爐。精餾爐塔盤，鋁電解槽，銅熔化爐內(nèi)襯，鋅粉爐用弧型板，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。抗熱沖擊耐磨損。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5—20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、涂附磨具和自由研磨，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)豎缸蒸餾爐用的碳化硅磚、鋁電解槽襯、坩鍋、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的生產(chǎn)工藝乃是材料工作者的研究重點(diǎn)。同時挖掘和開發(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。


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