碳化硅的應(yīng)用.doc

碳化硅碳化硅，又稱為金鋼砂或耐火砂，英文名Silicon Carbide，分子式SiC。純碳化硅是無色透明的晶體。工業(yè)碳化硅因所含雜質(zhì)的種類和含量不同，而呈淺黃、綠、藍(lán)乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結(jié)構(gòu)分為六方或菱面體的 -SiC和立方體的-SiC(稱立方碳化硅)。-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)中碳和硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成許多不同變體，已發(fā)現(xiàn)70余種。-SiC于2100以上時轉(zhuǎn)變?yōu)?SiC。 綠色至藍(lán)黑色。介電常數(shù)7。硬度9Mobs。A-是半導(dǎo)體。遷移率(300 K), cm2 / (VS),400電子和50空穴，譜帶間隙eV，303(0 K)和2.996(300 K)；有效質(zhì)量0.60電子和1.00空穴，電導(dǎo)性，耐高溫氧化性能。相對密度3.16。熔點(diǎn)2830。導(dǎo)熱系數(shù)(500 )22. 5 , (1000 )23.7 W / (m2K)。熱膨脹系數(shù)：線性至100：5.210-6/ ，不溶于水、醇；溶于熔融堿金屬氫氧化物。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。目前我國工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.203.25，顯微硬度為28403320kg/mm2。碳化硅為晶體，硬度高，切削能力較強(qiáng)，化學(xué)性能力穩(wěn)定，導(dǎo)熱性能好。 黑碳化硅是以石英砂，石油焦和優(yōu)質(zhì)硅石為主要原料,通過電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間,機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉,性脆而鋒利。綠碳化硅是以石油焦和優(yōu)質(zhì)硅石為主要原料,添加食鹽作為添加劑，通過電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間，機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉。常用的碳化硅磨料有兩種不同的晶體，一種是綠碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于磨硬質(zhì)含金工具。另一種是黑碳化硅，有金屬光澤，含SiC 95%以上，強(qiáng)度比綠碳化硅大，但硬度較低，主要用于磨鑄鐵和非金屬材料。 碳化硅的用途是十分廣泛的，目前主要是用作磨料和耐火材料，這兩項(xiàng)用途占了碳化硅產(chǎn)量中的大部分。通常磨料用的顆粒粒級很窄，反之耐火材料不同。下面分幾個方面介紹碳化處的主要用途。 一、磨料由于碳化硅具有很高的硬度、化學(xué)穩(wěn)定性和一定的韌性，所以是一種用途很廣的磨料，可用以制造砂輪、油石、涂附磨具或自由研磨。它主要是用于研磨玻璃、陶瓷、石材等非金屬材料、鑄鐵及某些非鐵金屬，它與這些材料之間的反應(yīng)性很弱。由于它是普通廢料中硬度最高的材料，所以包常用以加工硬質(zhì)合金、鈦合金、高速鋼刀具等難磨材料及修正砂輪用。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。其中黑色碳化硅和綠色碳化硅的應(yīng)用也有所差別。黑碳化硅制成的磨具，多用于切割和研磨抗張強(qiáng)度低的材隊(duì)如玻璃、陶瓷、石料和耐火物氯同時也用于鑄鐵零件和有色金屬材料的磨削。綠碳化硅制成的磨具，多用于硬質(zhì)合金、欽合金、光學(xué)玻璃的磨削，同時也用于缸缸和高速鋼刀具的精磨。由于其優(yōu)良的耐磨性，碳化硅在冶金選礦行業(yè)中也有應(yīng)用。參見碳化硅在選礦工藝中的應(yīng)用。 二、耐火材料和耐腐蝕材料這一用途是由于它的高熔點(diǎn)(分解溫度)、化學(xué)惰性和抗熱震性。日前生產(chǎn)碳化硅耐火材料的主要方法包括壓制和燒結(jié)碳化硅、壓制和再結(jié)晶碳化硅、澆注和再結(jié)晶碳化硅、碳化硅在碳質(zhì)材料上的氣相沉積等。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，廣泛用于冶金耐高溫材料中，如堅(jiān)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。目前我國生產(chǎn)的碳化硅耐火材料主要有：磨具、陶瓷制品燒成窯爐中用的棚板；煉鋅工業(yè)豎罐蒸餾爐和鋅精餾塔用的碳化硅磚(Zn和SiC不起反應(yīng))等。此外還可制作火箭噴管、燃?xì)廨喨~片。鋁電解槽、小件爐材、坍塌、保護(hù)管、支墊座架等多種碳化硅產(chǎn)品。最近國內(nèi)外研制的各種反應(yīng)燒結(jié)和熱壓方法制成的多品碳化硅材料正越來越廣泛地應(yīng)用到各工業(yè)部門以代替高級合金工具鋼、硬質(zhì)合金、耐熱和耐酸合金，以及用于被電流經(jīng)過材料的強(qiáng)化熱流、化學(xué)活性氣體，液體介質(zhì)等的作用所復(fù)雜化了的條件下。關(guān)于碳化硅耐高溫性能方面的應(yīng)用，還可以參閱碳化硅材料在大型連續(xù)滲碳爐中的應(yīng)用、碳化硅在冶金工業(yè)的應(yīng)用。三、鋼鐵冶金添加劑在國外，目前碳化硅的最重要的化學(xué)用途是作為冶煉鋼鐵的凈化劑，即用作煉鋼的脫氧劑和鑄鐵組織改良劑。碳化硅可在熔融鋼水中分解并和鋼水中的游離氧、金屬氧化物反應(yīng)生成一氧化碳和含硅爐渣在冶煉鑄鐵時往往過量地加入碳化硅，以使少量硅進(jìn)入鐵液之中，這一處理凈化了鑄鐵的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了它制成的鑄件的完善。不論在平爐或轉(zhuǎn)爐中都可加入碳化硅。加入的碳化硅或者是以松散的形式，或是以弱結(jié)合磚的形式。所用的碳化硅有時是工業(yè)純度(如同磨料碳化硅那樣)，但經(jīng)常用的是所謂火磚，即含SiC85左右的二級品砂，以降低成本。詳見碳化硅強(qiáng)脫氧劑在電爐煉鋼中的推廣應(yīng)用、碳化硅在電爐熔煉上的應(yīng)用和應(yīng)用碳化硅優(yōu)化高錳鋼熔煉中的還原工藝。四、電工用途在電工方面，碳化硅主要是用作加熱元件、電阻、二極管、晶體管和熱敏器件。碳化硅加熱元件常見的是硅碳棒，它適用于11001600工作的各種電爐，低1100時用鎳鉻絲元件是更經(jīng)濟(jì)的，而高于1600時，碳化硅就很容易氧化了。各式避雷器閥片是碳化硅非線性電阻體中最常見的產(chǎn)品。它應(yīng)用的是含鋁的專門冶煉的黑色碳化硅。隨著集微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)優(yōu)點(diǎn)于一體的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的出現(xiàn)和它們被日益廣泛地應(yīng)用，SiC作為高溫半導(dǎo)體材料，同時擁有良好的機(jī)械性能和電性能，在這一領(lǐng)域也有望得到應(yīng)用。如可以制成各種耐高溫氣體傳感器、壓力傳感器等。詳見高溫半導(dǎo)體材料碳化硅及其在微機(jī)電中的應(yīng)用。五、高技術(shù)陶瓷碳化硅高技術(shù)陶瓷以其耐磨性、耐高溫性、耐腐蝕性尤為突出，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、宇航、化工、石油等許多工業(yè)領(lǐng)域。具體的，碳化硅陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用如密封環(huán)、研磨介質(zhì)、防彈板、研磨盤、高溫耐蝕部件等。碳化硅陶瓷是高技術(shù)陶瓷中的一種，碳化硅陶瓷主要是用亞微米級碳化硅粉制成。由于碳化硅具有極高的硬度，用高技術(shù)制得的碳化硅陶瓷，其耐磨性、耐高溫、耐腐蝕性更為突出。因此，它已成為各類高技術(shù)陶瓷中的佼佼者。碳化硅也是常用的發(fā)熱元件，純凈的碳化硅是電絕緣體(電阻率為1014歐)，但當(dāng)含有雜質(zhì)時，電阻率便會大幅度下降至零點(diǎn)幾個歐姆米，加上它有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，因此碳化硅也可用于陶瓷電熱材料中。詳見碳化硅高技術(shù)陶瓷及其應(yīng)用和陶瓷電熱材料的研究與應(yīng)用。五、化工原料碳化硅可作為制造四氯化硅(SiCl4)的原料，即用SiC和氯氣在9001200的反應(yīng)來制取SiCl4。它是硅樹脂工業(yè)的重要原料，在這里也是用二級品碳化硅較為經(jīng)濟(jì)。其反應(yīng)方程式如下：SiC + 2Cl2 SiCl4 + C(無定形碳)碳化硅也可用于強(qiáng)化工業(yè)硅的熔煉過程。工業(yè)硅的熔煉過程是碳化硅的產(chǎn)生和破壞的過程。為了提高反應(yīng)過程的效率，可以利用碳化硅代替部分碳質(zhì)還原劑，熔煉工業(yè)硅的過程反應(yīng)如下：SiO2 + 3C = SiC + 2CO (1)Si + SiC = Si + SiO + CO (2)SiO + SiC = 2Si + CO (3)SiO2 +2SiC = 3Si + 2CO (4)具體原理與操作參見碳化硅在工業(yè)硅生產(chǎn)中的應(yīng)用。六、納米材料隨著納米科技的興起，碳化硅在納米材料領(lǐng)域的應(yīng)用也日益受到人們的關(guān)注，如SiC納米粉體、SiC納米晶須、SiC同軸納米電纜等。SiC材料是人造共價鍵化合物材料，以其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、高耐磨性和耐腐蝕性，在航空航天、汽車、機(jī)械、電子、化工等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)SiC材料本身的缺陷(如脆性)使其無法滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的苛刻要求。納米技術(shù)的誕生為SiC材料的制備開辟了新的途徑。SiC納米粉體，是指粒徑在l 100nm之間的SiC超微粒子，性能更為優(yōu)異的SiC納米材料可以克服SiC傳統(tǒng)材料的缺陷，而且應(yīng)用也必將更加廣泛。近年來國內(nèi)外諸多學(xué)者已經(jīng)利用納米技術(shù)研究發(fā)明了各種各樣制備SiC納米材料的方法。雖然目前正在研究的SiC納米材料的制備方法都存在產(chǎn)量小、成本高、工序復(fù)雜等缺點(diǎn)，但是生產(chǎn)高附加值的SiC產(chǎn)品必將成為今后的趨勢。具體研究參見碳化硅納米材料研究進(jìn)展、SiC納米材料制備及應(yīng)用和碳化硅晶須的制備及其在復(fù)合材料增韌中的應(yīng)用。七、其他 碳化硅可以配制成遠(yuǎn)紅外幅射涂料或制成碳化硅板用于遠(yuǎn)紅外幅射干燥器中。 碳化硅纖維正在一些國家組織生產(chǎn)，可作為復(fù)合結(jié)構(gòu)材的組分。由此可見，碳化硅是一種廣泛應(yīng)用的人造磨料和工程材料。國外某些廠商碳化硅生產(chǎn)的特點(diǎn)是多牌號和開展綜合科用，以適應(yīng)各部門應(yīng)用的需要，并可做到物盡其才，提高生產(chǎn)廠的經(jīng)濟(jì)效益這一點(diǎn)很值得我們重視。目前我國各砂輪廠生產(chǎn)的碳化硅絕大部份是用作磨料，而冶煉爐中產(chǎn)生的大量二級品碳化硅沒有用武之地，只能用于回爐冶練，這是很不經(jīng)濟(jì)的。它會顯著降低爐的熱效率。最后，談一下碳化硅在半導(dǎo)體線切割領(lǐng)域的應(yīng)用（實(shí)際上這也是對碳化硅耐磨性的應(yīng)用），以及砂漿中碳化硅的回收問題。作為傳統(tǒng)的磨料，碳化硅由于其自身的高強(qiáng)度、高硬度性能，被廣泛使用于半導(dǎo)體線切割，尤其是單晶硅的內(nèi)圓切割。對應(yīng)此類碳化硅微粉，有一系列的標(biāo)準(zhǔn)，主要包括粒度、化學(xué)成分、顆粒形狀、堆積密度、表面清潔度、酸堿殘留物含量等方面?？蓞⒄仗蓟栉⒎蹜?yīng)用新領(lǐng)域半導(dǎo)體線切割一文。由于碳化硅的硬度僅次于金剛石，因此是用于研磨或切削其它金屬或非金屬的理想材料。碳化硅屬于人工合成材料，盡管因其獨(dú)有的理化性能已經(jīng)成為一種人類工業(yè)中非常重要的合成材料之一，但其合成過程卻是不折不扣的高耗能、高污染行業(yè)。碳化硅的制備合成主要是通過將石英砂與石油焦等原料按一定比例混合后，在常壓隔氧的高溫條件下燒結(jié)反應(yīng)而成，這一反應(yīng)過程需要消耗大量的能源，平均每合成一噸碳化硅需消耗高達(dá)8000Kwh的電能，同時上述反應(yīng)過程會釋放出大量的CO, NO, SO2等有害廢氣，將對大氣環(huán)境造成較嚴(yán)重的污染。使用碳化硅微粉作為介質(zhì)用于專用線切割設(shè)備上加工硅晶切片，其作用原理是使碳化硅微粉顆粒持續(xù)快速沖擊硅棒表面，利用碳化硅顆粒的堅(jiān)硬特性和顆粒表面的鋒利菱角將硅棒逐步截?cái)?。為了確保硅棒被切割開的表面光滑均勻，就要求所使用的碳化硅顆粒的粒度分布必須非常集中，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號為JIS 800-JIS1500，其對應(yīng)的表征顆粒細(xì)度和均一度的指標(biāo)D50值在16.5m-8.0m之間，D50值越小，所得硅片的斷面規(guī)整度越好。由于這種切割實(shí)際上是以顆粒高速碰撞和摩擦達(dá)到截?cái)啾磺形锏哪康?，屬于物理過程，而碳化硅顆粒的物性又是堅(jiān)硬且脆，因此在硅棒切割過程中，必然伴隨著碳化硅顆粒間的碰撞與摩擦，使得經(jīng)過一次切削后的碳化硅顆粒整體發(fā)生破碎，并夾雜著部分被切削下的硅碎粒和鋼線磨損所產(chǎn)生的金屬微粒，從而導(dǎo)致經(jīng)過切削后的碳化硅顆粒分布大大變寬，D50值下降，無效的細(xì)碎顆粒大幅增多(不能參與有效切割過程)，顆粒中的雜質(zhì)大幅增加，在不進(jìn)行有效的處理的情況下，沒有再次使用的價值，通常的處理辦法是作為工業(yè)廢渣進(jìn)行排放填埋。在這種情況下，價格昂貴的碳化硅微粉新料實(shí)際上只使用一次就被作為工業(yè)廢物進(jìn)行填埋處理，不僅