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碳化硅

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。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物,莫桑石。 碳化硅又稱碳硅石。在當(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中,碳化硅為應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟的一種??梢苑Q為金鋼砂或耐火砂。 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3.20~3.25,顯微硬度為2840~3320kg/mm2。

  1結(jié)構(gòu)

  英文名稱:silicon carbide,俗稱金剛砂。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 α-SiC和立方體的β-SiC(稱立方碳化硅)。α-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。β-SiC于2100℃以上時轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;-SiC。

  碳化硅的工業(yè)制法是用優(yōu)質(zhì)石英砂和石油焦在電阻爐內(nèi)煉制。煉得的碳化硅塊,經(jīng)破碎、酸堿洗、磁選和篩分或水選而制成各種粒度的產(chǎn)品。

  2種類

  碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個常用的基該品種,都屬α-SiC。①黑碳化硅含SiC約95%,其韌性高于綠碳化硅,大多用于加工抗張強度低的材料,如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等。②綠碳化硅含SiC約97%以上,自銳性好,大多用于加工硬質(zhì)合金、鈦合金和光學(xué)玻璃,也用于珩磨汽缸套和精磨高速鋼刀具。此外還有立方碳化硅,它是以特殊工藝制取的黃綠色晶體,用以制作的磨具適于軸承的超精加工,可使表面粗糙度從Ra32~0.16微米一次加工到Ra0.04~0.02微米。

  3特性

  碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好,除作磨料用外,還有很多其他用途,例如:以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機葉輪或汽缸體的內(nèi)壁,可提高其耐磨性而延長使用壽命1~2倍;用以制成的高級耐火材料,耐熱震、體積小、重量輕而強度高,節(jié)能效果好。低品級碳化硅(含SiC約85%)是極好的脫氧劑,用它可加快煉鋼速度,并便于控制化學(xué)成分,提高鋼的質(zhì)量。此外,碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。

  碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級,僅次于世界上最硬的金剛石(10級),具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能,是一種半導(dǎo)體,高溫時能抗氧化。

  碳化硅分類及性質(zhì):

  基本信息列表

  中文名稱:碳化硅

  中文別名:碳化硅晶須

  英文名稱:Silicon Carbide (Black)

  英文別名:Silicon Carbide Black; silanyliumylidynemethanide; methylsilane; carbon(+4) cation; silicon(-4) anion

  CAS:409-21-2

  EINECS:206-991-8

  分子式:SiC

  分子量:40.0962

  碳化硅至少有70種結(jié)晶型態(tài)。α-碳化硅為最常見的一種同質(zhì)異晶物,在高于2000 °C高溫下形成,具有六角晶系結(jié)晶構(gòu)造(似纖維鋅礦)。β-碳化硅,立方晶系結(jié)構(gòu),與鉆石相似,則在低于2000 °C生成,結(jié)構(gòu)如頁面附圖所示。雖然在異相觸媒擔(dān)體的應(yīng)用上,因其具有比α型態(tài)更高之單位表面積而引人注目,但直至今日,此型態(tài)尚未有商業(yè)上之應(yīng)用。

  因其3.2的比重及高的升華溫度(約2700 °C),碳化硅很適合做為軸承或高溫爐之原料物件。在任何已能達到的壓力下,它都不會熔化,且具有相當(dāng)?shù)偷幕瘜W(xué)活性。由于其高熱導(dǎo)性、高崩潰電場強度及高最大電流密度,在半導(dǎo)體高功率元件的應(yīng)用上,不少人試著用它來取代硅[1]。此外,它與微波輻射有很強的偶合作用,并其所有之高升華點,使其可實際應(yīng)用于加熱金屬。

  純碳化硅為無色,而工業(yè)生產(chǎn)之棕至黑色系由于含鐵之不純物。晶體上彩虹般的光澤則是因為其表面產(chǎn)生之二氧化硅保護層所致。

  4歷史沿革

  碳化硅是由美國人艾奇遜在1891年電熔金剛石實驗時,在實驗室偶然發(fā)現(xiàn)的一種碳化物,當(dāng)時誤認為是金剛石的混合體,故取名金剛砂,1893年艾奇遜研究出來了工業(yè)冶煉碳化硅的方法,也就是大家常說的艾奇遜爐,一直沿用至今,以碳質(zhì)材料為爐芯體的電阻爐,通電加熱石英SIO2和碳的混合物生成碳化硅。

  關(guān)于碳化硅的幾個事件

  1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅

  1907年 第一只碳化硅晶體發(fā)光二極管誕生

  1955年 理論和技術(shù)上重大突破,LELY提出生長高品質(zhì)碳化概念,從此將SiC作為重要的電子材料

  1958年 在波士頓召開第一次世界碳化硅會議進行學(xué)術(shù)交流

  1978年 六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯(lián)進行研究。到1978年首次采用“LELY改進技術(shù)”的晶粒提純生長方法

  1987年~至今以CREE的研究成果建立碳化硅生產(chǎn)線,供應(yīng)商開始提供商品化的碳化硅基

  5產(chǎn)能情況

  我國有碳化硅冶煉企業(yè)200多家,年生產(chǎn)能力220多萬噸(其中:綠碳化硅塊120多萬噸,黑碳化硅塊約100萬噸)。冶煉變壓器功率大多為6300~12500kVA,最大冶煉變壓器為32000kVA。加工制砂、微粉生產(chǎn)企業(yè)300多家,年生產(chǎn)能力200多萬噸。2012年,我國碳化硅產(chǎn)能利用率不足45%。約三分之一的冶煉企業(yè)有加工制砂微粉生產(chǎn)線。碳化硅加工制砂微粉生產(chǎn)企業(yè)主要分布在河南、山東、江蘇、吉林、黑龍江等省。

  我國碳化硅冶煉生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備和單噸能耗達到世界領(lǐng)先水平。黑、綠碳化硅原塊的質(zhì)量水平也屬世界級。我國碳化硅與世界先進水平的差距主要集中在四個方面:一是在生產(chǎn)過程中很少使用大型機械設(shè)備,很多工序依靠人力完成,人均碳化硅產(chǎn)量較低;二是在碳化硅深加工產(chǎn)品上,對粒度砂和微粉產(chǎn)品的質(zhì)量管理不夠精細,產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性不夠;三是某些尖端產(chǎn)品的性能指標(biāo)與發(fā)達國家同類產(chǎn)品相比有一定差距;四是冶煉過程中一氧化碳直接排放。國外主要企業(yè)基本實現(xiàn)了封閉冶煉,而我國碳化硅冶煉幾乎全部是開放式冶煉,一氧化碳全部直排。2012年,我國企業(yè)開發(fā)出了封閉冶煉技術(shù),實現(xiàn)了一氧化碳全部回收,但是距離全行業(yè)普及還有很長的路要走。

  根據(jù)中國機床工業(yè)協(xié)會磨料磨具專委會碳化硅專家委員會的數(shù)據(jù),截至2012年底,全球碳化硅產(chǎn)能達260萬噸以上,產(chǎn)能達到1萬噸以上的國家有13個,占全球總產(chǎn)能的98%。其中中國碳化硅產(chǎn)能達到220萬噸,占全球總產(chǎn)能的84%。

  6市場需求

  我國碳化硅冶煉企業(yè)主要分布在甘肅、寧夏、青海、新疆、四川等地,約占總產(chǎn)能85%。

  2012年在中國經(jīng)濟發(fā)展速度放緩的情況下,生產(chǎn)情況普遍不理想,加之光伏企業(yè)舉步維艱,碳化硅作為耐材、磨料和光伏行業(yè)的基礎(chǔ)原材料,出口和內(nèi)銷均大幅下滑。綠碳化硅微粉加工企業(yè)更是身陷光伏企業(yè)的債務(wù)鏈條,多數(shù)冶煉企業(yè)沒有開工,或者短暫開工后即停產(chǎn)。


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