碳化硅

非金属碳化物

碳化硅是由硅与碳元素以共价键结合的非金属碳化物，硬度仅次于金刚石和碳化硼。化学式为SiC。无色晶体，外表氧化或含杂质时呈蓝黑色。具有金刚石结构的碳化硅变体俗称金刚砂。金刚砂的硬度挨近金刚石，热安稳性好，2127℃时由β-碳化硅转变成α-碳化硅，α-碳化硅在2400℃依然安稳。对氢氟酸水溶液和浓硫酸安稳，对浓氢氟酸与硝酸的混合酸或磷酸则不安稳。在空气氛中被熔融的碱分化。它分为人工合成碳化硅和天然碳化硅。天然碳化硅称为碳硅石，首要赋存于金伯利岩及火山角闪岩中，但其量甚少，无挖掘价值。

工业用碳化硅为人工碳化硅，SiC含量为95%～99.5%，常含少量的游离碳，以及Fe2O3、Si和SiO2等杂质。碳化硅按结晶类型可分为六方晶系(α-SiC)和立方晶系(β-SiC)，六方晶系又因其结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)，碳化硅的同质多晶结构有100多种。工业碳化硅为α-SiC和β-SiC的混合物，色彩有黑色和绿色两种。纯洁的碳化硅为无色通明，含杂质时呈黑色、绿色、蓝色及黄色。六方和立方晶系，晶体为板状，复三方柱状。具有玻璃光泽，密度为3.17～3.47g/cm3，莫氏硬度9.2，显微硬度30380～33320MPa；熔点：在大气中2050℃开端分化，在复原气氛下2600℃开端分化；弹性模量为466、480MPa；抗拉强度为171.5MPa；耐压强度为1029MPa；线膨胀系数为(25～1000℃)5.0×10-6/℃；热导率(20℃)为59W/(m·K)。化学性质安稳，在HCl、H2SO4和HF中煮沸也不受浸蚀，但在浓H3PO4中于230℃开端分化。

图中为碳化硅与各种气体和化学品的反响 碳化硅可用作研磨资料、耐火资料、电阻发热元件及脱氧剂等。在耐火资料工业中，碳化硅用来出产各种碳化硅砖，也可用作添加剂或抗氧化剂。

发现前史

碳化硅是由美国工程师艾奇逊(E.G.Acheson)在1891年电熔金刚石时偶尔发现的一种碳化物。其时误认为是和刚玉的化合物，取名金刚砂。1893年，艾奇逊研究出制造碳化硅的工业办法，以炭质资料为炉芯的电阻炉，通电加热SiO2和炭的混合物，反响生成碳化硅的专利办法(美国专利492767号)。

分类和分级

按色泽、用处和结构的不同，碳化硅可分为不同的类别。

纯碳化硅是无色通明的晶体。工业碳化硅则有无色、淡黄色、浅绿色、深绿色或浅蓝色、深蓝色甚至黑色。磨料职业把碳化硅按色泽分为黑碳化硅和绿碳化硅两大类，其间无色的直到深绿色的都归入绿碳化硅;浅蓝色的至黑色的则归入黑碳化硅。碳化硅多色的原因与各种杂质的存在有关。工业碳化硅一般含有2%左右的各种杂质，首要有二氧化硅、硅、铁、铝、钙、镁、碳等。当结晶中熔有较多的碳时，结晶是黑色。绿碳化硅较脆，黑碳化硅较韧，前者研磨才能略高于后者。按粒度巨细，产品分为不同的等级。我国磨料职业规则，黑碳化硅有17个等级;绿碳化硅有21个粒度等级。80号及其以上的磨料称磨粒，100～280号磨料称磨粉。

按用处不同：碳化硅又分为磨料用、耐火资料用、脱氧剂用、电工用碳化硅等。磨料用碳化硅其SiC含量应在98%以上。耐火资料用碳化硅又分为(1)高级耐火资料黑碳化硅，其SiC含量与磨料用碳化硅彻底相同;(2)二级耐火资料黑碳化硅，SiC含量大于90%;(3)低档次耐火资料黑碳化硅，SiC含量大于83%。脱氧剂用碳化硅，SiC含量一般要求大于90%。但炭素工业石墨化炉保温猜中碳化硅含量大于45%的经过处理也可用做炼钢脱氧剂。脱氧剂用碳化硅有粉末状与成型块两种。粉末状脱氧剂黑碳化硅一般有4～0.5mm和0.5～0.1mm两种粒度。电工用碳化硅有两种首要类别：(1)电热元件用绿碳化硅，其本质与磨料用绿碳化硅彻底一样。(2)避雷器用碳化硅，其电功用要求特别，不同于磨料用耐火资料用黑碳化硅。

碳化硅的用处

碳化硅制品具有耐高温、耐磨、耐热震、耐化学腐蚀、耐辐射和杰出的导电性、导热性等特别功用，因而在国民经济各部门中具有广泛的用处。在我国，绿碳化硅首要用做磨料。黑碳化硅用于制造磨具，多用于切开和研磨抗张强度低的资料，如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等，一起也用于铸铁零件和有色金属资料的磨削。绿碳化硅制成的磨具，多用于硬质合金、钛合金、光学玻璃的磨削，一起也用于缸套的珩磨及高速钢刀具的精磨。立方碳化硅磨具专用于微型轴承的超精磨。用电镀办法将碳化硅微粉涂敷于水轮机叶轮上，可大大提高叶轮的耐磨性;用机械压力将立方体SiC200号磨粉与W28微粉压入内燃机的汽缸壁上，可延长缸体寿数一倍以上。

在电气工业中，碳化硅可用做避雷器阀体、硅碳电热元件、远红外线发生器等。在电子工业中，如在工业碳化硅炉内或在工业炉上用特别办法培育出来大片完好的碳化硅单晶体，可作为发光二极管(如晶体灯、数字管灯)的基片;高纯碳化硅晶体是制造耐辐射高温半导体的优质资料。碳化硅是少量禁带宽度大(2.86eV)且具有P及n两种导电类型的半导体资料之一。

在航天工业中，用碳化硅制造的燃气滤片、燃烧室喷嘴已用于火箭技能中。现已完成工业化出产的碳化硅纤维，是一种新式高强度、高模量资料，具有优异的耐热性和耐氧化性，与金属、树脂有杰出的相容性。使用温度可达1200℃，高温下强度坚持率可达80%以上。可用以制造热屏蔽资料、耐高温输送带、过滤高温气体或熔融金属的滤布，也可与炭纤维或玻璃纤维复合用做增强金属和陶瓷的增强资料。

低档次的碳化硅可用做炼钢脱氧剂及铸铁添加剂。

在炭素工业中，碳化硅首要用来出产炼铁高炉用砖，如石墨碳化硅、氮化硅结合的碳化硅砖等。

在石墨电极出产中，碳化硅还用做耐氧化涂层电极的涂层耐火烧结料的配猜中，以添加涂层对温度急剧改变的承受才能。

在特种炭素资料——生物炭的制造中，常以丙烷和三氯甲基硅烷为气体质料，经高温热解反响，在石墨基体上堆积生成含硅热解炭涂层，以添加制品的硬度、强度和耐磨性。涂层中的碳化硅以β-SiC的晶型存在，晶粒尺寸为1μm左右。用此法制造的生物炭制品如含硅热解炭人工心脏瓣膜等，具有很好的生物相容性。

碳化硅主要体现在那几大领域呢？

在半导体范畴的使用

碳化硅一维纳米资料因为本身的微观描摹和晶体结构使其具有更多独特的优异功用和愈加广泛的使用远景，被普遍认为有望成为第三代宽带隙半导体资料的重要组成单元。

第三代半导体资料即宽禁带半导体资料，又称高温半导体资料，首要包含碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化锌、金刚石等。这类资料具有宽的禁带宽度（禁带宽度大于2.2ev）、高的热导率、高的击穿电场、高的抗辐射才能、高的电子饱和速率等特点，适用于高温、高频、抗辐射及大功率器件的制造。第三代半导体资料凭借着其优异的特性，未来使用远景非常宽广。

在光伏范畴的使用

光伏逆变器对光伏发电效果非常重要，不只具有直沟通改换功用，还具有最大限度地发挥太阳电池功用的功用和体系故障维护功用。归纳起来有主动运转和停机功用、最大功率盯梢操控功用、防单独运转功用（并网体系用）、主动电压调整功用（并网体系用）、直流检测功用（并网体系用）、直流接地检测功用（并网体系用）等。

国内逆变器厂家对新技能和新器件的使用仍是太少，以碳化硅为功率器件的逆变器，而且开端大批量使用，碳化硅内阻很少，能够把功率做很高，开关频率能够达到10K，也能够节约LC滤波器和母线电容。碳化硅资料在光伏逆变器使用上或有打破。

在航空范畴的使用

碳化硅制造成碳化硅纤维，碳化硅纤维首要用作耐高温资料和增强资料，耐高温资料包含热屏蔽资料、耐高温输送带、过滤高温气体或熔融金属的滤布等。用做增强资料时，常与碳纤维或玻璃纤维合用，以增强金属（如铝）和陶瓷为主，如做成喷气式飞机的刹车片、发动机叶片、着陆齿轮箱和机身结构资料等，还可用做体育用品，其短切纤维则可用做高温炉材等。

碳化硅粗料已能很多供给，但是技能含量极高 的纳米级碳化硅粉体的使用短时间不可能构成规模经济。碳化硅晶片在我国研制尚属起步阶段，碳化硅晶片在国内的使用较少，碳化硅资料产业的展开缺乏下游使用企业的支撑。就人才培养和技能研制等展开密切合作；加强企业间的沟通，尤其要积极参加国际沟通活动，提高企业展开水平；重视企业品牌建造，努力打造企业的拳头产品等。

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