| 认识碳化硅 |
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| (2012-9-2 17:08:09) 3056人次浏览 |
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碳化硅的起源
是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂，1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法，也就是大家常说的艾奇逊炉，一直沿用至今，以碳质材料为炉芯体的电阻炉，通电加热石英SIO2和碳的混合物生成碳化硅。
1905年 第一次在陨石中发现碳化硅
1907年 第一只碳化硅发光二极管诞生
1955年 理论和技术上重大突破，LELY提出生长高品质碳化概念，从此将SIC作为重要的电子材料
1958年 在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流
1978年 六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。
到1978年首次采用“LELY改进技术”的晶粒提纯生长方法
1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的碳化硅基
碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。
碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。
碳化硅又称碳硅石。
在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。
可以称为金钢砂或耐火砂。 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。
目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。
纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。
碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC（称立方碳化硅)。
α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。
β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。
碳化硅的工业制法是用优质石英砂和石油焦在电阻炉内炼制。
炼得的碳化硅块，经破碎、酸碱洗、磁选和筛分或水选而制成各种粒度的产品。
碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基该品种，都属α-SiC。
①黑碳化硅含SiC约95%，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。
②绿碳化硅含SiC约97%以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。
此外，还有立方碳化硅，它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体，用以制作的磨具适于轴承的超精加工，可使表面粗糙度从Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。
碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好。低品级碳化硅（含SiC约85%）是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。
碳化硅的硬度很大，具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。
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碳化硅的用途
⑴作为磨料，可用来做磨具，如砂轮、油石、磨头、砂瓦类等。
⑵作为冶金脱氧剂和耐高温材料。
碳化硅主要有四大应用领域，即：功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。
目前碳化硅粗料已能大量供应，不能算高新技术产品，而技术含量极高 的纳米级碳化硅粉体的应用短时间不可能形成规模经济。
⑶高纯度的单晶，可用于制造半导体、制造碳化硅纤维。
碳化硅是典型的多晶型化合物，按大类来分，有α-碳化硅和β-碳化硅两种。α-碳化硅做为磨料有黑、绿两种品种。β-碳化硅是制备碳化硅类陶瓷的主要原料。
碳化硅的用途十分广泛，如：冶金、机械、化工、建材、轻工、电子。磨料可作为冶金工业的净化剂、脱氧剂和改良剂。在机械加工方面可作为合成硬质合金刀具；加工后的硅碳板可作为耐火材料用于陶瓷烧制的棚板。通过精加工后生产的微粉，可用于高科技电子元器件和远红外线辐射材料的涂料。高纯度精微粉可供国防工业航空航天器皿的涂层。对国际国内各经济领域的用途十分广阔。
碳化硅半导体能应对“极端环境”。
碳化硅晶片甚至可以经受住金星或太阳附近的热度。
前期的研究表明，即使在560摄氏度的高温中，碳化硅晶片在没有冷却装置的情况下仍能正常运作。碳化硅晶片在通讯领域具有广阔的运用前景，能让高清晰电视发射器提供更清晰的信号和图像；也可以用在喷气和汽车引擎中，监测电机运转。同时，它还可运用于太空探索领域，帮助核动力飞船执行更繁杂的任务。
法国物理学家预言，在半导体芯片制造领域，碳化硅取代普通硅已为时不远。
主要用途：
用于3～12英寸单晶硅、多晶硅、砷化钾、石英晶体等线切割。
太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业工程性加工材料。
磨料磨具：主要用于制作砂轮、砂纸、砂带、油石、磨块、磨头、研磨膏及光伏产品中单晶硅、多晶硅和电子行业的压电晶体等方面的研磨、抛光等。
化工：可用做炼钢的脱氧剂和铸铁组织的改良剂，可用做制造四氯化硅的原料，是硅树脂工业的主要原料。碳化硅脱氧剂是一种新型的强复合脱氧剂，取代了传统的硅粉碳粉进行脱氧，和原工艺相比各项理化性能更加稳定，脱氧效果好，使脱氧时间缩短，节约能源，提高炼钢效率，提高钢的质量，降低原辅材料消耗，减少环境污染，改善劳动条件，提高电炉的综合经济效益都具有重要价值。
耐磨、耐火和耐腐蚀材料
利用碳化硅具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性，碳化硅一方面可用于各种冶炼炉衬、高温炉窑构件、碳化硅板、衬板、支撑件、匣钵、碳化硅坩埚等。
另一方面可用于有色金属冶炼工业的高温间接加热材料，如竖罐蒸馏炉、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；用于制作耐磨、耐蚀、耐高温等高级碳化硅陶瓷材料；还可以制做火箭喷管、燃气轮机叶片等。此外，碳化硅也是高速公路、航空飞机跑道太阳能热水器等的理想材料之一。
有色金属：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。
钢铁：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.
冶金选矿：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&def也是航空飞行跑道的理想材料之一。
建材陶瓷砂轮工业：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。
节能：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
磨料粒度及其组成按GB/T2477--83。磨料粒度组成测定方法按GB/T2481--83。
珠宝：合成碳化硅（Synthetic Moissanite）又名合成莫桑石、合成碳硅石（化学成分SiC），色散0.104比钻石(0.044）大，折射率2.65-2.69（钻石2.42），具有与钻石相同的金刚光泽，“火彩”更强，比以往任何仿制品更接近钻石。这是由美国北卡罗来那州的C3公司制造生产的，已拥有世界各国生产合成碳化硅的专利，正在向全世界推广应用。
喷砂除锈：奥凯喷砂磨料公司，奥凯无尘金刚砂的产品用途：
该品采用棕刚玉微粉经高强压力挤压、高温烧结成型、硬度适中、干净清洁、不易破碎、可反复多次使用、喷砂效果好：
1、钢铁、钢管、钢结构不锈钢制品的表面亚光处理、喷涂前喷砂除锈处理；
2、用于各种模具的清理；
3、可清除各类机件拉应力，增加疲劳寿命；
4、半导体器件、塑封对管上锡前的清理去除边刺；
5、医疗器械、纺织机械及各类五金制品的喷丸强化光饰加工；
6、各种金属管、有色金属精密铸件的清理及去除毛刺残渣。
高铝喷丸（刚玉球）的产品特性：
1、软硬兼备—采用优质材料生产而成，即有一定的机械强度，AL2O3含量大于等于68﹪，硬度可达6-7莫氏，又有足够的弹性，可反复使用数次，不易破碎，所喷器件效果相同，比普通金刚砂的使用寿命长3倍以上。
2、均匀度好—成圆率大于等于80﹪，粒度均匀，喷后使喷砂器件各处亮度系数保持均匀，不易留下水印。奥凯磨料。
中国碳化硅的产地、输往国别及品质规格
⑴产地：长白山脉、河南、青海、甘肃、宁夏、四川、贵州、湖北丹江口等地。
⑵输往国别：美国、日本、韩国、及某些欧洲国家。
⑶品质规格：
①磨料级碳化硅技术条件按GB/T2480—96。各牌号的化学成分由表6-6-47和表6-6-48给出。
②磨料粒度及其组成、磨料粒度组成测定方法：按GB/T2481.2-2009。
GB/T 9258.1-2000|涂附磨具用磨料 粒度分析 第1部分：粒度组成
GB/T 9258.2-2008|涂附磨具用磨料 粒度分析 第2部分：粗磨粒P12～P220粒度组成的测定
GB/T 9258.3-2000|涂附磨具用磨料 粒度分析 第3部分：微粉P240～P2500粒度组成的测定
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世界各国碳化硅企业分布
Superior石墨公司
Superior石墨有限公司是生产β-碳化硅的厂家，它们采用连续电热炉工艺在美国肯塔基的Hopkinsville厂生产。产品适用于制造碳化硅细粉和超细陶瓷级碳化硅粉料。
Electro磨料公司
Electro磨料公司是一家碳化硅加工厂。该公司在纽约布法罗的一家生产厂从事水力分选黑色、绿色碳化硅粉料的生产。他们生产的碳化硅含量为98%的粗、细粉用于磨料、耐火材料及其它行业，年生产能力为2.4万吨。
BPI有限责任公司
BPI公司分别在匹兹堡、宾西法尼亚、贝塞默和阿拉巴马州有碳化硅废料加工厂。大多数废料都来自北美，包括回收的碳化硅耐火材料，这些产品主要用于冶金市场。而且，这些产品的市场需求量很大。
Elmet公司
Elmet公司在墨西哥北部的蒙特雷有一家年生产能力为2万吨的碳化硅生产厂，该厂生产的冶金级（SiC 88%）和黑色(SiC 97%）碳化硅主要用于钢铁、铸造、磨料和耐火材料工业。近期，该公司投资了300万美元用以降低成本和提高成品质量，这些资金主要用于破碎、筛分生产线及成型设备。Elmet公司的产品主要用于国内市场，但也出口至中美和北欧。自2000年以来，该公司就已看到当地铸造工业和海外某些耐火材料的发展前景。同时，由于受到了象金刚石这种超级磨料竞争的冲击，使得磨料部门的需求量下降，但是，耐火材料工业的需求仍保持稳定。
巴西
在巴西，圣－戈班集团公司所属的碳化硅生产厂将其生产能力增至6万吨/年。早在20世纪90年代初期，Alcoa世界化工公司就兼并了巴西圣保罗洲萨尔托的EMAS碳化硅生产厂，该厂的年生产能力为1.2万吨左右。
ESK-SIC公司
ESK-SIC在荷兰（世界最大的碳化硅生产厂）每年可生产6.5万吨的冶金碳化硅和晶体碳化硅，并在德国的Frechen-Grefrath厂进行加工。该公司的产品大约占了全球市场份额的10%。ESK-SIC生产的碳化硅产品主要用于冶金、磨料、耐火材料和高级陶瓷领域。
Navarro SIC公司
自1958年以来，Navarro SIC SA公司主要生产磨料和耐火材料工业用碳化硅细粉。虽然该公司目前的年产量约为1.8万吨，但有望达到2万吨。他们生产冶金级碳化硅（SiC 90%/92%）、三种耐火材料级碳化硅（SiC 92%、SiC 95%和SiC 98%）、磨料级碳化硅（SiC 97%和SiC 99%）。其中，冶金级碳化硅的市场领域最大，占了总额的45%，其次是耐火材料级（30%）和磨料级（25%）。近几年，Navarro已开始扩大生产绿色和黑色碳化硅微粉，年产量为800～1000t左右。自2000年以来，Navarro的产品在国内和欧洲的市场销量虽然有所上升，但在亚洲、非洲和大洋洲的销售额却在下降。从产品类型来看，冶金、耐火材料工业的用量在增长，而磨料工业的用量在减少。
ZAC公司
ZAC公司是东欧著名的磨料生产厂，年生产能力为3万吨，主要用于冶金、磨料、耐火材料和微粉工业。该公司的产品主要出口捷克，从那里再销往西欧。另外，在欧洲的其它国家，如俄罗斯、罗马尼亚、捷克、瑞士也都有碳化硅生产厂。其中，瑞士的Timcal有限公司每年生产8000t的碳化硅生产石墨的副产品。
亚洲
除了中国，亚洲的碳化硅产量主要集中在日本，Yakushima Denko和Pacific Rundum有限公司是日本两大著名的碳化硅生产厂，年产量分别为2万吨和7000吨。其中，Pacific Rundum生产的碳化硅适用于半导体加工的特种领域，以及磨料和耐火材料工业。1996年，它在美国的俄勒冈成立了合资公司（AGPR），主要生产高纯度碳化硅材料。
附：黑碳化硅分级体系
黑碳化硅：等级：一级，SIC含量≥98.5，材质：石油焦/无烟煤
黑碳化硅：等级：二级，SIC含量≥90，材质：石油焦
黑碳化硅：SIC含量≥88，规格材质：无烟煤
黑碳化硅：等级：三级，SIC含量≥70
黑碳化硅：SIC含量≥60
黑碳化硅：等级：黄皮，SIC含量≥60
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