碳化硅

非金屬碳化物

碳化硅是由硅與碳元素以共價鍵結合的非金屬碳化物，硬度僅次于金剛石和碳化硼。化學式為SiC。無色晶體，外表氧化或含雜質時呈藍黑色。具有金剛石結構的碳化硅變體俗稱金剛砂。金剛砂的硬度挨近金剛石，熱安穩性好，2127℃時由β-碳化硅轉變成α-碳化硅，α-碳化硅在2400℃依然安穩。對氫氟酸水溶液和濃硫酸安穩，對濃氫氟酸與硝酸的混合酸或磷酸則不安穩。在空氣氛中被熔融的堿分化。它分為人工合成碳化硅和天然碳化硅。天然碳化硅稱為碳硅石，首要賦存于金伯利巖及火山角閃巖中，但其量甚少，無挖掘價值。

工業用碳化硅為人工碳化硅，SiC含量為95%～99.5%，常含少量的游離碳，以及Fe2O3、Si和SiO2等雜質。碳化硅按結晶類型可分為六方晶系(α-SiC)和立方晶系(β-SiC)，六方晶系又因其結晶排列的周期性不同有六方晶胞的晶型(2H、4H、6H……等)和菱形晶胞的晶型(15R、21R、27R……等)，碳化硅的同質多晶結構有100多種。工業碳化硅為α-SiC和β-SiC的混合物，色彩有黑色和綠色兩種。純潔的碳化硅為無色通明，含雜質時呈黑色、綠色、藍色及黃色。六方和立方晶系，晶體為板狀，復三方柱狀。具有玻璃光澤，密度為3.17～3.47g/cm3，莫氏硬度9.2，顯微硬度30380～33320MPa；熔點：在大氣中2050℃開端分化，在復原氣氛下2600℃開端分化；彈性模量為466、480MPa；抗拉強度為171.5MPa；耐壓強度為1029MPa；線膨脹系數為(25～1000℃)5.0×10-6/℃；熱導率(20℃)為59W/(m·K)。化學性質安穩，在HCl、H2SO4和HF中煮沸也不受浸蝕，但在濃H3PO4中于230℃開端分化。

圖中為碳化硅與各種氣體和化學品的反響 碳化硅可用作研磨資料、耐火資料、電阻發熱元件及脫氧劑等。在耐火資料工業中，碳化硅用來出產各種碳化硅磚，也可用作添加劑或抗氧化劑。

發現前史

碳化硅是由美國工程師艾奇遜(E.G.Acheson)在1891年電熔金剛石時偶爾發現的一種碳化物。其時誤認為是和剛玉的化合物，取名金剛砂。1893年，艾奇遜研究出制造碳化硅的工業辦法，以炭質資料為爐芯的電阻爐，通電加熱SiO2和炭的混合物，反響生成碳化硅的專利辦法(美國專利492767號)。

分類和分級

按色澤、用處和結構的不同，碳化硅可分為不同的類別。

純碳化硅是無色通明的晶體。工業碳化硅則有無色、淡黃色、淺綠色、深綠色或淺藍色、深藍色甚至黑色。磨料職業把碳化硅按色澤分為黑碳化硅和綠碳化硅兩大類，其間無色的直到深綠色的都歸入綠碳化硅;淺藍色的至黑色的則歸入黑碳化硅。碳化硅多色的原因與各種雜質的存在有關。工業碳化硅一般含有2%左右的各種雜質，首要有二氧化硅、硅、鐵、鋁、鈣、鎂、碳等。當結晶中熔有較多的碳時，結晶是黑色。綠碳化硅較脆，黑碳化硅較韌，前者研磨才能略高于后者。按粒度巨細，產品分為不同的等級。我國磨料職業規則，黑碳化硅有17個等級;綠碳化硅有21個粒度等級。80號及其以上的磨料稱磨粒，100～280號磨料稱磨粉。

按用處不同：碳化硅又分為磨料用、耐火資料用、脫氧劑用、電工用碳化硅等。磨料用碳化硅其SiC含量應在98%以上。耐火資料用碳化硅又分為(1)高級耐火資料黑碳化硅，其SiC含量與磨料用碳化硅徹底相同;(2)二級耐火資料黑碳化硅，SiC含量大于90%;(3)低檔次耐火資料黑碳化硅，SiC含量大于83%。脫氧劑用碳化硅，SiC含量一般要求大于90%。但炭素工業石墨化爐保溫猜中碳化硅含量大于45%的經過處理也可用做煉鋼脫氧劑。脫氧劑用碳化硅有粉末狀與成型塊兩種。粉末狀脫氧劑黑碳化硅一般有4～0.5mm和0.5～0.1mm兩種粒度。電工用碳化硅有兩種首要類別：(1)電熱元件用綠碳化硅，其本質與磨料用綠碳化硅徹底一樣。(2)避雷器用碳化硅，其電功用要求特別，不同于磨料用耐火資料用黑碳化硅。

碳化硅的用處

碳化硅制品具有耐高溫、耐磨、耐熱震、耐化學腐蝕、耐輻射和杰出的導電性、導熱性等特別功用，因而在國民經濟各部門中具有廣泛的用處。在我國，綠碳化硅首要用做磨料。黑碳化硅用于制造磨具，多用于切開和研磨抗張強度低的資料，如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等，一起也用于鑄鐵零件和有色金屬資料的磨削。綠碳化硅制成的磨具，多用于硬質合金、鈦合金、光學玻璃的磨削，一起也用于缸套的珩磨及高速鋼刀具的精磨。立方碳化硅磨具專用于微型軸承的超精磨。用電鍍辦法將碳化硅微粉涂敷于水輪機葉輪上，可大大提高葉輪的耐磨性;用機械壓力將立方體SiC200號磨粉與W28微粉壓入內燃機的汽缸壁上，可延長缸體壽數一倍以上。

在電氣工業中，碳化硅可用做避雷器閥體、硅碳電熱元件、遠紅外線發生器等。在電子工業中，如在工業碳化硅爐內或在工業爐上用特別辦法培育出來大片完好的碳化硅單晶體，可作為發光二極管(如晶體燈、數字管燈)的基片;高純碳化硅晶體是制造耐輻射高溫半導體的優質資料。碳化硅是少量禁帶寬度大(2.86eV)且具有P及n兩種導電類型的半導體資料之一。

在航天工業中，用碳化硅制造的燃氣濾片、燃燒室噴嘴已用于火箭技能中。現已完成工業化出產的碳化硅纖維，是一種新式高強度、高模量資料，具有優異的耐熱性和耐氧化性，與金屬、樹脂有杰出的相容性。使用溫度可達1200℃，高溫下強度堅持率可達80%以上。可用以制造熱屏蔽資料、耐高溫輸送帶、過濾高溫氣體或熔融金屬的濾布，也可與炭纖維或玻璃纖維復合用做增強金屬和陶瓷的增強資料。

低檔次的碳化硅可用做煉鋼脫氧劑及鑄鐵添加劑。

在炭素工業中，碳化硅首要用來出產煉鐵高爐用磚，如石墨碳化硅、氮化硅結合的碳化硅磚等。

在石墨電極出產中，碳化硅還用做耐氧化涂層電極的涂層耐火燒結料的配猜中，以添加涂層對溫度急劇改變的承受才能。

在特種炭素資料——生物炭的制造中，常以丙烷和三氯甲基硅烷為氣體質料，經高溫熱解反響，在石墨基體上堆積生成含硅熱解炭涂層，以添加制品的硬度、強度和耐磨性。涂層中的碳化硅以β-SiC的晶型存在，晶粒尺寸為1μm左右。用此法制造的生物炭制品如含硅熱解炭人工心臟瓣膜等，具有很好的生物相容性。

碳化硅主要體現在那幾大領域呢？

在半導體范疇的使用

碳化硅一維納米資料因為本身的微觀描摹和晶體結構使其具有更多獨特的優異功用和愈加廣泛的使用遠景，被普遍認為有望成為第三代寬帶隙半導體資料的重要組成單元。

第三代半導體資料即寬禁帶半導體資料，又稱高溫半導體資料，首要包含碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅、金剛石等。這類資料具有寬的禁帶寬度（禁帶寬度大于2.2ev）、高的熱導率、高的擊穿電場、高的抗輻射才能、高的電子飽和速率等特點，適用于高溫、高頻、抗輻射及大功率器件的制造。第三代半導體資料憑借著其優異的特性，未來使用遠景非常寬廣。

在光伏范疇的使用

光伏逆變器對光伏發電效果非常重要，不只具有直溝通改換功用，還具有最大限度地發揮太陽電池功用的功用和體系故障維護功用。歸納起來有主動運轉和停機功用、最大功率盯梢操控功用、防單獨運轉功用（并網體系用）、主動電壓調整功用（并網體系用）、直流檢測功用（并網體系用）、直流接地檢測功用（并網體系用）等。

國內逆變器廠家對新技能和新器件的使用仍是太少，以碳化硅為功率器件的逆變器，而且開端大批量使用，碳化硅內阻很少，能夠把功率做很高，開關頻率能夠達到10K，也能夠節約LC濾波器和母線電容。碳化硅資料在光伏逆變器使用上或有打破。

在航空范疇的使用

碳化硅制造成碳化硅纖維，碳化硅纖維首要用作耐高溫資料和增強資料，耐高溫資料包含熱屏蔽資料、耐高溫輸送帶、過濾高溫氣體或熔融金屬的濾布等。用做增強資料時，常與碳纖維或玻璃纖維合用，以增強金屬（如鋁）和陶瓷為主，如做成噴氣式飛機的剎車片、發動機葉片、著陸齒輪箱和機身結構資料等，還可用做體育用品，其短切纖維則可用做高溫爐材等。

碳化硅粗料已能很多供給，但是技能含量極高 的納米級碳化硅粉體的使用短時間不可能構成規模經濟。碳化硅晶片在我國研制尚屬起步階段，碳化硅晶片在國內的使用較少，碳化硅資料產業的展開缺乏下游使用企業的支撐。就人才培養和技能研制等展開密切合作；加強企業間的溝通，尤其要積極參加國際溝通活動，提高企業展開水平；重視企業品牌建造，努力打造企業的拳頭產品等。

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