什么是碳化硅?

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1.碳化硅简介

1.1 什么是碳化硅?

碳化硅的化学式为 SiC,是一种通过电阻炉生产的无机物。通过熔炼石英砂、石油焦(或煤焦)和锯末等三种原料,可以得到碳化硅。 

碳化硅

1.2 碳化硅的发展历史

1891 年美国科学家艾奇逊在实验室进行电熔钻石实验时偶然发现了一种碳化物。 

1893 年艾奇逊发明了熔炼碳化硅的工业方法,俗称 "艾奇逊炉",并一直沿用至今。这种方法是使用带有碳芯的电阻炉对石英(SiO2)和碳的混合物进行电加热,从而生产出碳化硅。 

1905 年在陨石中首次检测到碳化硅。 

2.碳化硅的特性

2.1 碳化硅的物理特性

晶体结构

碳化硅具有多种晶体结构,包括六方晶体(4H-SiC、6H-SiC)和立方晶体(3C-SiC)。

硬度

碳化硅以其卓越的硬度而闻名,莫氏硬度为 9.5。

熔点

碳化硅的熔点非常高,约为 2,730°C (4,946°F)。

导热性

碳化硅具有良好的导热性,是一种高效的热导体。

2.2 碳化硅的化学特性

化学成分

碳化硅的化学式为 SiC,含有硅(Si)和碳(C)两种基本元素。

化学稳定性

碳化硅具有高度的化学稳定性,尤其是在恶劣环境和高温条件下。

抗氧化剂

碳化硅具有出色的抗氧化性。

3.碳化硅的生产过程

3.1 如何制造碳化硅?

艾奇逊进程:

1891 年 爱德华-艾奇逊 开发了艾奇逊工艺,被认为是最早的碳化硅制造方法。

在这种工艺中,高纯度硅石(砂)和碳(通常是石油焦或无烟煤)的混合物在电阻炉中高温加热(约 2000 至 2500 摄氏度)。

反应的结果是形成碳化硅晶体,然后将其粉碎并加工成所需的形状。

碳热还原:

碳热还原法是在电炉中加热二氧化硅(SiO2)和碳的混合物。

化学反应可表示为 SiO2 + 3C → SiC + 2CO。

这一过程通常在 2000 摄氏度以上的高温下进行。

3.2 碳化硅的种类

碳化硅有两种基本类型、 黑碳化硅绿色碳化硅都属于 α- SiC。

黑硅的碳化硅含量超过 95%,硬度优于绿碳化硅。 

它主要用于加工拉伸强度较低的材料,如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属。

绿色碳化硅含 97% SiC 以上,具有良好的自锐性。它主要用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃,以及珩磨汽缸套和精密磨削高速钢切削工具。

3.3 碳化硅的优势

高硬度 * 高温稳定性 * 耐磨损 * 化学惰性

高导热性 * 高导电性 * 耐磨性 * 高切割效率

4.碳化硅的应用

磨料的应用:

碳化硅是一种人工合成的碳化物,分子式为 SiC。它的莫氏硬度仅次于钻石。

由于硬度高,碳化硅具有很高的耐磨性,被广泛用作砂轮和其他研磨产品的研磨材料。

耐火材料的应用:

SiC 具有热膨胀系数低、热导率高、高温强度高、抗渣性好、能形成保护性氧化物等优点,因此被广泛用作高性能耐火材料或添加剂,以提高耐火材料的性能,特别是抗渣性和热震稳定性。

功能陶瓷的应用:

碳化硅陶瓷材料具有耐高温、耐磨性好、热膨胀系数小、硬度高、抗热震、耐化学腐蚀等诸多优异性能,因此被广泛应用于汽车、机械、化工、环保、空间技术、信息电子、能源等领域。

冶金学的应用

在冶金工业中,黑碳化硅用于钢铁生产。它可以添加到熔融金属中,增强金属的性能,提高最终产品的质量。

碳化硅的莫氏硬度仅次于钻石。它具有极强的耐磨性,是耐磨管道、叶轮、泵室、旋风分离器和采矿料斗衬里的理想材料。它的耐磨性是铸铁和橡胶的五倍以上,也是航空飞行跑道的最佳材料之一。

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