碳化硅的结构性质和用途.doc

碳化硅的结构性质和用途
【摘要】SiC陶瓷材料因其具有良好的耐磨、耐冲刷、耐腐蚀等优异的特性,被广泛应用机械、化工等行业。本文采用双向加压的压制成型方法,通过无压烧结,成功的研制了在高耐磨、耐冲刷环境下所使用的喷砂机用喷砂嘴。

【关键字】
引言

结构与晶型
碳化硅（SiC）俗称金刚砂，又称碳硅石是一种典型的共价键结合的化合物，自然界几乎不存在。碳化硅晶格的基本结构单元是相互穿插的SiC4和CSi4四面体。四面体共边形成平面层，并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。SiC具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1600℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2200℃，也是非常稳定的。常见的SiC多形体列于下表：
SiC常见多型体及相应的原子排列

多型体
晶体结构
单位晶胞中参数
原子排列次序
C（β- SiC）
2H（α-SiC）
4H（α-SiC）
6H（αSiC）
8H（α-SiC）
15R（α-SiC）
六方
六方
六方
六方
六方
菱方
1
2
4
6
8
15
ABCABCABC
ABABAB
ABACABAC
ABCACBABCACBA
ABCABACBA
ABCACBCABACABCBA
性能
碳化硅（SiC）陶瓷，具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，热稳定性好，高温强度大，热膨胀系数小，热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手，日益受到人们的重视。例如，SiC陶瓷可用作各类轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等等。
制备与烧结
碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。碳化硅陶瓷的烧结方法有：无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结。采用采用不同的烧结方法，SiC陶瓷具有各异的性能特点。如就烧结密度和抗弯强度来说，热压烧结和热等静压烧结SiC陶瓷相对较多，反应烧结SiC相对较低。另一方面，SiC陶瓷的力学性能还随烧结添加剂的不同而不同。无压烧结、热压烧结和反应烧结SiC陶瓷对强酸、强碱具有良好的抵抗力，但反应烧结SiC陶瓷对HF等超强酸的抗蚀性较差。就耐高温性能比较来看，当温度低于900

℃时几乎所有SiC陶瓷强度均有所提高；当温度超过1400℃时，反应烧结SiC陶瓷抗弯强度急剧下降。对于无压烧结和热等静压烧结的SiC陶瓷，其耐高温性能主要受添加剂种类的影响。总之，SiC陶瓷的性能因烧结方法不同而不同。一般说来，无压烧结SiC陶瓷的综合性能优于反应烧结的SiC陶瓷，但次于热压烧结和热等静压烧结的SiC陶瓷。
用途
碳化硅晶片属于宽带隙半导体材料，是第三代半导体材料，是未来可以替代硅作芯片的材料，将会引起电子行业革命性的变革。目前的主要用途是LED固体照明和应用于高频大功率的无线通讯。手机和笔记本电脑的背景光市场将给碳化硅巨大的需求增长。
碳化硅晶片具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。随着第三代高温宽带隙半导体材料的发展，未来碳化硅将革命性的取代硅的半导体芯片原料地位，从而提供给人类抗高温、体积小、寿命长、抗辐射的芯片。
目前制约SiC晶片发展的关键点在于晶体生长和晶片的切割和抛光，后者决定了产品的良品率和成本。SiC晶片是高技术壁垒，而不是资金壁垒由于SiC晶体生长难度大，造成SiC晶体生长产业化进展缓慢。

1、有色金属冶炼工业的应用
利用碳化硅具有耐高温，强度大，导热性能良好，抗冲击，作高温间接加热材料，如坚罐蒸馏炉。精馏炉塔盘，铝电解槽，铜熔化炉内衬，锌粉炉用弧型板，热电偶保护管等。
2、钢铁行业方面的应用
利用碳化硅的耐腐蚀。抗热冲击耐磨损。导热好的特点，用于大型高炉内衬提高了使用寿命。
3、冶金选矿行业的应用
碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能，是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器，矿斗内衬的理想材料，其耐磨性能是铸铁．橡胶使用寿命的5—20倍，也是航空飞行跑道的理想材料之一。
4、建材陶瓷，砂轮工业方面的应用
利用其导热系数。热辐射，高热强度大的特性，制造薄板窑具，不仅能减少窑具容量，还提高了窑炉的装容量和产品质量，缩短了生产周期，是陶瓷釉面烘烤烧结理想的间接材料。碳化硅具有很高的硬度，化学稳定性和一定的韧性，所以碳化硅能用于制造固结磨具、涂附磨具和自由研磨，从而用来加工玻璃、陶瓷、石材、铸铁及某些非铁金属、硬质合金、钛合金、高速钢刀具和砂轮等。
5、节能方面的应用

利用良好的导热和热稳定性，作热交换器，燃耗减少20%，节约燃料35%，使生产率提高20-30%。特别是矿山选厂用排放输送管道的内放，其耐磨程度是普通耐磨材料的6—7倍。 
耐火材料和耐腐蚀材料---主要是因为碳化硅具有高熔点（分解温度）、化学惰性和抗热振性，所以碳化硅能用于磨具、陶瓷制品烧成窑炉中用的棚板和匣钵、炼锌工业竖缸蒸馏炉用的碳化硅砖、铝电解槽衬、坩锅、小件炉材等多种碳化硅陶瓷制品。
结束语：
SiC陶瓷在许多工业领域中的应用显示了优良的性能，因而应起了人们的普遍重视。在无机非金属材料领域中SiC陶瓷是一个很大的家族，其触角几乎伸遍了所有的工业领域。但是由于SiC陶瓷的难烧结性，因而它的制作工艺和生产都较昂贵，降低SiC陶瓷的烧成温度和寻找廉价的生产工艺乃是材料工作者的研究重点。同时挖掘和开发SiC陶瓷（粉末）的所有优点造福于人类也是我们的工作重点。SiC陶瓷由他广阔的发展和应用前景。
参考文献：
1钱军民，崔凯，艾好，等，多孔陶瓷制备技术研究进展【J】。兵器材料科学与工程。2005.28（5）：60
2翟凤瑞。多孔陶瓷材料及其应用前景【J】。红河学院学报。2005.3（3）：22
3碳化硅复相陶瓷的制备与组织性能分析 哈尔滨工业大学 2006
4碳化硅电热材料的制备及其结构与性能的研究 武汉理工大学 2008

（注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）