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關于碳化硅的幾個事件

1905年 第一次在隕石中發現碳化硅。

1907年 第一只碳化硅晶體發光二極管誕生。

1955年 理論和技術上重大突破,LELY提出生長高品質碳化概念,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術交流。

1978年 六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯進行研究。到1978年首次采用"LELY改進技術"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線,供應商開始提供商品化的碳化硅基。

碳化硅由于化學性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、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,并便于控制化學成分,提高鋼的質量。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),具有優良的導熱性能,是一種半導體,高溫時能抗氧化。

碳化硅至少有70種結晶型態。α-碳化硅為最常見的一種同質異晶物,在高于2000 °C高溫下形成,具有六角晶系結晶構造(似纖維鋅礦)。β-碳化硅,立方晶系結構,與鉆石相似,則在低于2000 °C生成,結構如頁面附圖所示。雖然在異相觸媒擔體的應用上,因其具有比α型態更高之單位表面積而引人注目,而另一種碳化硅,μ-碳化硅最為穩定,且碰撞時有較為悅耳的聲音,但直至今日,這兩種型態尚未有商業上之應用。

因其3.2g/cm的比重及較高的升華溫度(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,且具有相當低的化學活性。由于其高熱導性、高崩潰電場強度及高最大電流密度,在半導體高功率元件的應用上,不少人試著用它來取代硅[1]。此外,它與微波輻射有很強的耦合作用,并其所有之高升華點,使其可實際應用于加熱金屬。

純碳化硅為無色,而工業生產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生之二氧化硅保護層所致。

物質結構

純碳化硅是無色透明的晶體。工業碳化硅因所含雜質的種類和含量不同,而呈淺黃、綠、藍乃至黑色,透明度隨其純度不同而異。 碳化硅晶體結構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由于其晶體結構中碳和硅原子的堆垛序列不同而構成許多不同變體,已發現70余種。β-SiC于2100℃以上時轉變為α-SiC。碳化硅的工業制法是用優質石英砂和石油焦在電阻爐內煉制。煉得的碳化硅塊,經破碎、酸堿洗、磁選和篩分或水選而制成各種粒度的產品。

碳化硅(SiC)因其很大的硬度而成為一種重要的磨料,但其應用范圍卻超過一般的磨料。例如,它所具有的耐高溫性、導熱性而成為隧道窯或梭式窯的首選窯具材料之一,它所具有的導電性使其成為一種重要的電加熱元件等。制備SiC制品首先要制備SiC冶煉塊[或稱:SiC顆粒料,因含有C且超硬,因此SiC顆粒料曾被稱為:金剛砂。但要注意:它與天然金剛砂(也稱:石榴子石)的成分不同。在工業生產中,SiC冶煉塊通常以石英、石油焦等為原料,輔助回收料、乏料,經過粉磨等工序調配成為配比合理與粒度合適的爐料(為了調節爐料的透氣性需要加入適量的木屑,制備綠碳化硅時還要添加適量食鹽)經高溫制備而成。高溫制備SiC冶煉塊的熱工設備是專用的碳化硅電爐,其結構由爐底、內面鑲有電極的端墻、可卸式側墻、爐心體(全稱為:電爐中心的通電發熱體,一般用石墨粉或石油焦炭按一定的形狀與尺寸安裝在爐料中心,一般為圓形或矩形。其兩端與電極相連)等組成。該電爐所用的燒成方法俗稱:埋粉燒成。它一通電即為加熱開始,爐心體溫度約2500℃,甚至更高(2600~2700℃),爐料達到1450℃時開始合成SiC(但SiC主要是在≥1800℃時形成),且放出co。然而,≥2600℃時SiC會分解,但分解出的si又會與爐料中的C生成SiC。每組電爐配備一組變壓器,但生產時只對單一電爐供電,以便根據電負荷特性調節電壓來基本上保持恒功率,大功率電爐要加熱約24 h,停電后生成SiC的反應基本結束,再經過一段時間的冷卻就可以拆除側墻,然后逐步取出爐料。

高溫煅燒后的爐料從外到內分別是:未反應料(在爐中起保溫作用)、氧碳化硅羼(半反應料,主要成分是C與SiO。)、粘結物層(是粘結很緊的物料層,主要成分是C、SiO2、40%~60%SiC以及Fe、Al、Ca、Mg的碳酸鹽)、無定形物層(主要成分是70%~90%SiC,而且是立方SiC即β-sic,其余是C、SiO2及Fe、A1、Ca、Mg的碳酸鹽)、二級品SiC層(主要成分是90%~95%SiC,該層已生成六方SiC即口一SiC,但結晶體較小、很脆弱,不能作為磨料)、一級品SiC層(SiC含量<96%,而且是六方SiC即口一SiC的粗大結晶體)、爐芯體石墨。在上述各層料中,通常將未反應料和一部分氧碳化硅層料作為乏料收集,將氧碳化硅層的另一部分料與無定形物、二級品、部分粘結物一起收集為回爐料,而一些粘結很緊、塊度大、雜質多的粘結物則拋棄之。而一級品則經過分級、粗碎、細碎、化學處理、干燥與篩分、磁選后就成為各種粒度的黑色或綠色的SiC顆粒。要制成碳化硅微粉還要經過水選過程;要做成碳化硅制品還要經過成型與結燒的過程。

②磨料粒度及其組成、磨料粒度組成測定方法: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:粒度組成

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粒度組成的測定

GB/T 9258.3-2000|涂附磨具用磨料 粒度分析 第3部分:微粉P240~P2500粒度組成的測定。

碳化硅的制品之一的碳化硅陶瓷具有的高硬度、高耐腐蝕性以及較高的高溫強度等特點,這使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應用。

在應用在密封環上:碳化硅陶瓷的耐化學腐蝕性好、強度高、硬度高,耐磨性能好、摩擦系數小,且耐高溫,因而是制造密封環的理想材料。它與石墨材料組合配對時,其摩擦系數比氧化鋁陶瓷和硬質合金小,因而可用于高PV值,特別是輸送強酸、強堿的工況中使用。我公司生產的SIC-1型碳化硅常壓燒結制品,具有密度高、硬度高、生產批量大、可生產復雜形狀制品的特點,適用于高性能的密封件中使用,特別是高 PV 值及耐強酸、強堿的工況。而我公司生產的SIC-3型碳化硅陶瓷制品是含石墨的碳化硅材料。由于在碳化硅基體中含有大量的彌散細小的石墨顆粒,與其它材料配對使用時,其摩擦系數非常小,具有良好的自潤滑性能,特別適用于制作氣密封或有干摩擦工況的密封件中使用,從而使密封件的使用壽命及工作的可靠性提高。

碳化硅主要有四大應用領域,即:功能陶瓷、高級耐火材料、磨料及冶金原料。碳化硅粗料已能大量供應,不能算高新技術產品,而技術含量極高 的納米級碳化硅粉體的應用短時間不可能形成規模經濟。

1、作為磨料,可用來做磨具,如砂輪、油石、磨頭、砂瓦類等。

2、作為冶金脫氧劑和耐高溫材料。

3、高純度的單晶,可用于制造半導體、制造碳化硅纖維。

主要用途:用于3-12英寸單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等線切割。太陽能光伏產業、半導體產業、壓電晶體產業工程性加工材料。

用于半導體、避雷針、電路元件、高溫應用、紫外光偵檢器、結構材料、天文、碟剎、離合器、柴油微粒濾清器、細絲高溫計、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護具、觸媒擔體等領域。

磨料磨具

主要用于制作砂輪、砂紙、砂帶、油石、磨塊、磨頭、研磨膏及光伏產品中單晶硅、多晶硅和電子行業的壓電晶體等方面的研磨、拋光等。

化工

可用做煉鋼的脫氧劑和鑄鐵組織的改良劑,可用做制造四氯化硅的原料,是硅樹脂工業的主要原料。碳化硅脫氧劑是一種新型的強復合脫氧劑,取代了傳統的硅粉碳粉進行脫氧,和原工藝相比各項理化性能更加穩定,脫氧效果好,使脫氧時間縮短,節約能源,提高煉鋼效率,提高鋼的質量,降低原輔材料消耗,減少環境污染,改善勞動條件,提高電爐的綜合經濟效益都具有重要價值。

"三耐"材料

利用碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強度大、導熱性能良好、抗沖擊等特性,碳化硅一方面可用于各種冶煉爐襯、高溫爐窯構件、碳化硅板、襯板、支撐件、匣缽、碳化硅坩堝等。

另一方面可用于有色金屬冶煉工業的高溫間接加熱材料,如豎罐蒸餾爐、精餾爐塔盤、鋁電解槽、銅熔化爐內襯、鋅粉爐用弧型板、熱電偶保護管等;用于制作耐磨、耐蝕、耐高溫等高級碳化硅陶瓷材料;還可以制做火箭噴管、燃氣輪機葉片等。此外,碳化硅也是高速公路、航空飛機跑道太陽能熱水器等的理想材料之一。

有色金屬

利用碳化硅具有耐高溫,強度大,導熱性能良好,抗沖擊,作高溫間接加熱材料,如堅罐蒸餾爐,精餾爐塔盤,鋁電解槽,銅熔化爐內襯,鋅粉爐用弧型板,熱電偶保護管等。

鋼鐵

利用碳化硅的耐腐蝕,抗熱沖擊耐磨損,導熱好的特點,用于大型高爐內襯提高了使用壽命。

冶金選礦

碳化硅硬度僅次于金剛石,具有較強的耐磨性能,是耐磨管道、葉輪、泵室、旋流器、礦斗內襯的理想材料,其耐磨性能是鑄鐵.橡膠使用壽命的5——20倍&def也是航空飛行跑道的理想材料之一。

建材陶瓷砂輪工業

利用其導熱系數、熱輻射、高熱強度大的特性,制造薄板窯具,不僅能減少窯具容量,還提高了窯爐的裝容量和產品質量,縮短了生產周期,是陶瓷釉面烘烤燒結理想的間接材料。

節能

利用良好的導熱和熱穩定性,作熱交換器,燃耗減少20%,節約燃料35%,使生產率提高20-30%,特別是礦山選廠用排放輸送管道的內放,其耐磨程度是普通耐磨材料的6——7倍。

磨料粒度及其組成按GB/T2477——83。磨料粒度組成測定方法按GB/T2481——83。

珠寶

合成碳化硅(Synthetic Moissanite)又名合成莫桑石、合成碳硅石(化學成分SiC),色散0.104比鉆石(0.044)大,折射率2.65-2.69(鉆石2.42),具有與鉆石相同的金剛光澤,"火彩"更強,比以往任何仿制品更接近鉆石。這是由美國北卡羅來那州的C3公司制造生產的,已擁有世界各國生產合成碳化硅的專利,正在向全世界推廣應用。

噴砂除銹:

該品采用棕剛玉微粉經高強壓力擠壓,高溫燒結成型,硬度適中,干凈清潔,不易破碎.,反復多次使用,噴砂效果好。

1、鋼鐵、鋼管、鋼結構不銹鋼制品的表面亞光處理,噴涂前噴砂除銹處理。

2、用于各種模具的清理。

3、可清除各類機件拉應力,增加疲勞壽命。

4、半導體器件、塑封對管上錫前的清理去除邊刺。

5、醫療器械、紡織機械及各類五金制品的噴丸強化光飾加工。

6、各種金屬管、有色金屬精密鑄件的清理及去除毛刺殘渣。

高鋁噴丸(剛玉球)的產品特性:

1、軟硬兼備-采用優質材料生產而成,即有一定的機械強度,AL2O3含量大于等于68﹪,硬度可達6-7莫氏,又有足夠的彈性,可反復使用數次,不易破碎,所噴器件效果相同,比普通金剛砂的使用壽命長3倍以上。

2、均勻度好-成圓率大于等于80﹪,粒度均勻,噴后使噴砂器件各處亮度系數保持均勻,不易留下水印。奧凱磨料。