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碳化硅
無(wú)機非金屬材料
碳化硅（英文名：silicon carbide），分子式為SiC，是一種以共價(jià)鍵為主，碳、硅原子相互作用形成Sp雜化的非金屬化合物。其外觀(guān)顏色依據純度有黃色、綠色和藍黑色。依據其結構特點(diǎn)，因此碳化硅具有耐磨性強、彈性模量高、硬度強、耐腐蝕等特性， 被廣泛應用于磨料、耐火材料、化工等多個(gè)領(lǐng)域。自然界發(fā)現的碳化硅含量較低，工業(yè)上所使用的碳化硅幾乎都是人工合成的。
基本信息
中文名
碳化硅
英文名
silicon carbide
別名
一碳化硅
化學(xué)式
SiC
相對分子質(zhì)量
40.1
CAS編號
409-21-2
外觀(guān)
黃至綠至藍黑色，由純度決定
熔點(diǎn)
2700℃
密度
3.21g/cm
水溶性
不溶于水
沸點(diǎn)
升華
發(fā)現者
艾奇遜
分子式
SiC
發(fā)現歷史
美國化學(xué)家艾奇遜在1891年制造人造金剛石時(shí)，發(fā)現了這種硬度僅次于金剛石的化合物，并首先以工業(yè)規模合成出這種人造礦物，1904年法國人莫桑首次在美國亞歷山大州的隕石里發(fā)現了這種物質(zhì)，后來(lái)在金伯利巖中也有所發(fā)現，但含量甚微，沒(méi)有開(kāi)采價(jià)值。工業(yè)上所使用的碳化硅幾乎都是人工合成產(chǎn)品。
物質(zhì)結構
硅-碳四面體是碳化硅晶體結構的基本單元，硅原子處于中心位置，四周被碳原子所包圍,在晶體中硅含量約為70%，而碳含量約占30%。共價(jià)鍵是碳化硅晶體最主要的結合方式，共價(jià)鍵占到其中的88%。
共價(jià)鍵是四種分子基本鍵型結合力最強的，而在碳化硅晶體中碳原子和硅原子之間互相成鍵結合時(shí)，在殼層上發(fā)生了電子轉移，從而形成了Sp雜化，使得碳化硅結構更為穩固，具有了類(lèi)似金剛石的結構特點(diǎn)。在硅的密集六方堆疊上，緊靠的是一層碳原子堆疊。每種類(lèi)型的碳化硅晶體，都是由碳-硅層相間堆疊而成，而不同的是堆疊的次序，平行堆積或者反平行堆積，因此碳化硅是典型的具有多種晶型的化合物。依據碳化硅基本單元碳-硅四面體的不同的堆疊方式，可分為立方晶系、六方晶系和菱面體晶系，菱面體晶系也可稱(chēng)為三方晶系，可用C、H和R表示。四面體的堆積層序可以按ABCABC循環(huán)重復或ABAB等循環(huán)重復。
利用X射線(xiàn)已經(jīng)探明了兩種主要碳化硅晶型的結晶結構，一種是六方或菱面體結構,命名為α-SiC，通常被稱(chēng)為六方碳化硅，還有一種是閃鋅礦型的立方碳化硅被稱(chēng)為β-SiC。而后還發(fā)現在β-SiC中還存在有大量的多晶型。β-SiC于2100 ℃以上時(shí)轉變?yōu)棣?SiC。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
碳化硅密度為3.21g/cm，不溶于水，易溶于鐵水與熔融的氫氧化鈉和氫氧化鉀。碳化硅沒(méi)有一般意義上的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，只能算做分解溫度,且分解溫度的數值大小由測量時(shí)的環(huán)境與試樣的純度所決定。碳化硅在2700℃分解，升華。
熱膨脹系數
碳化硅的熱膨脹系數與其他磨料及高溫材料相比要小得多。當溫度范圍在25至1400℃之間時(shí)碳化硅的平均熱膨脹系數可大致取4.4×10/℃作為粗略計算。
導熱系數
碳化硅的導熱系數很高。通常在工程上計算時(shí)，碳化硅的導熱系數可取0.015~0.023卡/厘米·℃·秒。因其所具有的較低的熱膨脹系數和較高導熱系數，使得在以其為原料做制件過(guò)程中，加熱或冷卻時(shí)中受到的熱應力較小。
導電性
對于碳化硅的電阻溫度特性，在極大范圍的溫度內，與金屬的電阻溫度特性恰好相反。隨著(zhù)溫度的不斷升高，高純度地碳化硅的電阻率下降。但含雜質(zhì)的碳化硅電阻率與溫度有著(zhù)十分復雜的的關(guān)系。含有雜質(zhì)鋁的碳化硅的伏安特性曲線(xiàn)具有非線(xiàn)性，碳化硅的導電性能隨電場(chǎng)強度的增大而迅速增大。因而被廣泛用作非線(xiàn)性半導體電阻的材料，其中包括各種避雷器閥片。碳化硅電阻伏安特性曲線(xiàn)的非線(xiàn)性與接觸的性質(zhì)或晶體表面上的現象有關(guān)，而與晶體本身導電性的變化無(wú)關(guān)。
硬度、研磨能力與韌性
碳化硅其本身的晶體結構特點(diǎn)決定了碳化硅具有硬度大、耐磨損韌性強的特質(zhì)。碳化硅的硬度極強，僅低于幾種超硬的材料。碳化硅的硬度范圍廣泛，是碳化硅晶體的硬度和它的晶軸方向。不同的晶面方向，碳化硅的硬度差別較大，且隨著(zhù)溫度升高，硬度逐漸下降。碳化硅其自身的形狀等因素都對碳化硅的韌性有影響。
色澤
不含雜質(zhì)純凈的碳化硅應是無(wú)色透明的。工業(yè)上使用的碳化硅由無(wú)色至綠色、綠色至藍色，而后乃至黑色。碳化硅其呈色的不同，大多與其純度有關(guān)。依據研究得出，硼能使碳化硅呈黑色，當碳化硅晶體中含有較多碳時(shí)，其顏色也為黑色。而鋁對碳化硅結晶體呈色有極大影響，它能使碳化硅呈現出棕黑色或黑色。
化學(xué)性質(zhì)
化學(xué)穩定性與氧化性
碳化硅的氧化性和其本身的化學(xué)穩定性具有十分緊密的關(guān)系。依據熱力學(xué)計算來(lái)說(shuō)，碳化硅本身是極易氧化的，但碳化硅的時(shí)間氧化圖呈拋物線(xiàn)形，是由于當溫度達到一定高度時(shí)，其氧化生成的二氧化硅形成了一層薄膜，逐漸阻礙氧化過(guò)程。在空氣中的氧化過(guò)程，當溫度在800℃時(shí)碳化硅就已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生氧化，反應緩慢。而隨著(zhù)反應溫度的不斷攀升，氧化速率迅速提高。
而當溫度達到1600 ℃左右時(shí),氧化作用幾乎停滯，這是由于生成的二氧化硅層達到一定厚度，從而對碳化硅起到保護作用，阻礙氧化的繼續進(jìn)行。而在氧氣中碳化硅的氧化速度與空氣中相比要快1.6倍。
與酸、堿反應
碳化硅的抗堿性較差，是由于二氧化硅是弱酸性氧化物。因此在1000℃以上的高溫下，碳化硅容易與熔融的堿以及堿金屬硫酸鹽發(fā)生反應，所以以碳化硅為原料的產(chǎn)品不適合用水玻璃來(lái)做結合劑。
在空氣中碳化硅能與熔融的強堿和碳酸鈉發(fā)生反應：
而濃磷酸(比重1.75)在相當低的溫度下(200~250℃)已能分解碳化硅。經(jīng)研究證實(shí)，磷酸在這里只起到侵入氧化保護層而使碳化硅不斷水解的作用。產(chǎn)生的氣體有氫氣、甲烷和二氧化碳，膠狀物有二氧化硅，磷酸并未變化。
濃硝酸與氫氟酸混合物能溶解碳化硅，這是因為氫氟酸能除去碳化硅氧化所形成的二氧化硅的緣故。堿金屬或堿土金屬氧化物在高溫下與二氧化硅結合成流動(dòng)性較好的硅酸鹽，故對碳化硅也起破壞作用。如 CaO、MgO在1000 ℃就能侵蝕碳化硅。
其他反應
氯能氧化碳化硅，在高溫時(shí)非常強烈。分解產(chǎn)物是四氯化硅(SiCl4)蒸氣。殘存的碳保持著(zhù)原來(lái)碳化硅的外形,經(jīng)射線(xiàn)結構分析，證實(shí)為無(wú)定形碳而不是石墨。
在高溫下碳化硅與水蒸氣能發(fā)生十分劇烈的反應，當溫度達到1100 ℃以上時(shí)，依據不同的反應情況，生成硅、碳或二氧化硅。
制備方法
碳化硅在自然界產(chǎn)出極少，工業(yè)中應用主要靠人工制取。人工制造方法主要有以下幾種：碳、硅直接合成法，碳還原二氧化硅合成法，氣相沉積法等。
碳還原二氧化硅法
其反應式為:
當溫度約在1400℃時(shí)，其反應產(chǎn)物為低溫型的β-SiC，反應結晶非常細小，當溫度上升至2100 ℃后，產(chǎn)物逐漸轉化成高溫型的α-SiC。當升至2600 ℃以上時(shí)，碳化硅發(fā)生明顯的升華分解，揮發(fā)出硅蒸氣，而殘留下石墨。所以一般選擇反應的最終溫度為1900~2200 ℃。反應合成的產(chǎn)物為塊狀結晶聚合體，需粉碎成不同粒度的顆?；蚍哿?，同時(shí)除去其中的雜質(zhì)。
在工業(yè)大規模冶煉碳化硅常運用的是艾奇遜法和 ESK法
- 艾奇遜法
傳統艾奇遜法電阻爐是由耐火磚砌成的爐床。電阻爐實(shí)質(zhì)上就是一根石墨電阻發(fā)熱體，將硅石、焦炭、木屑、工業(yè)鹽，按照一定的比例混合均勻，緊密地填充在石墨發(fā)熱體的四周。煉制是，通電加熱，通過(guò)爐芯體表面傳熱至周?chē)幕旌狭?，而后便發(fā)生化學(xué)反應，生成碳化硅。反應中還會(huì )產(chǎn)生一氧化碳，絕大部分一氧化碳會(huì )在爐表面燃燒生成二氧化碳。
此方法投資成本小、設備簡(jiǎn)單，大多煉制碳化硅的均使用該方法。但其煉制過(guò)程容易造成粉塵和廢氣污染，有一氧化碳、二氧化硫、硫化氫等廢氣產(chǎn)生，反應所得產(chǎn)物還需再進(jìn)行分類(lèi)，略顯繁瑣。
- ESK冶煉法
ESK冶煉法是1973年由德國Elektroschmelzerk Kempten GmbH 公司(簡(jiǎn)寫(xiě)ESK)創(chuàng )造的，其設計了一種新型的冶煉爐并改進(jìn)了艾奇遜工藝。其采用底板式電極，從下面的多孔爐床內伸進(jìn)混合物料中，不需要端墻和側墻，整個(gè)爐子和混合料被罩在一個(gè)大型的聚乙烯袋子下進(jìn)行密封，冶煉時(shí)產(chǎn)生出的廢氣經(jīng)集氣管收集后被送到小型發(fā)電廠(chǎng)用于發(fā)電，此方法既解決了廢氣污染問(wèn)題又回收了20%的電能。通過(guò)對室外反應料堆、混合料和煉后整個(gè)爐體的噴水也可大大降低粉塵污染。ESK法冶煉爐可以做成很長(cháng)，其單爐產(chǎn)量大，生產(chǎn)成本大為降低。
氣相沉積法
其反應式為：
應用領(lǐng)域
因為碳化硅其本身所具有的特殊物理、化學(xué)特性，其應用領(lǐng)域十分廣泛。在磨料、耐火材料、化工、航空航天等領(lǐng)域都有其應用的身影。其中的磨料和耐火材料是碳化硅最主要的用途。
磨料
因為碳化硅所具有的高硬度、化學(xué)穩定性強還具有一定的韌性的特性，因此被廣泛作為磨料使用。作為切割和研磨玻璃、陶瓷等抗張強度低的材料的磨具，多用黑碳化硅制成,黑碳化硅也可用做鑄鐵零件和有色金屬材料的磨具。而用做硬質(zhì)合金、光學(xué)玻璃的磨具,大多用綠碳化硅制成。而微型軸承的超精磨則為立方碳化硅的專(zhuān)屬。
耐火材料
因其具有的不易被氧化的化學(xué)性質(zhì)以及抗熱震性和高熔點(diǎn)(分解溫度)的特點(diǎn)，也被廣泛用做耐火材料。作為耐火材料，碳化硅可在化工設備的制造中作為石油氣化器、脫硫爐爐襯的原料；在金屬冶煉時(shí)用做液體金屬輸送管道、冶煉爐的爐襯等。還可在鋼鐵冶煉時(shí)作為需要防腐蝕、抗磨損部位的冶煉設備的制品，在硅酸鹽工業(yè)中作為窯爐的棚板，在航天工業(yè)上作為火箭發(fā)動(dòng)機的尾噴管和高溫燃氣透平葉片原料。
化工
在化工領(lǐng)域，作為冶煉鋼鐵脫氧劑是碳化硅最主要的用途之一。其發(fā)生的作用過(guò)程為，在熔融的鋼水中碳化硅發(fā)生分解，而后與熔融的鋼水中游離的氧原子和金屬氧化物發(fā)生反應而生成一氧化碳氣體及其一些含硅的廢料，從而保證鋼鐵冶煉的純凈性，提高產(chǎn)品純度。
電工
在電工方面，碳化硅主要是用作加熱元件、電阻、二極管、晶體管和熱敏器件。
因碳化硅的卓越性能和碳化硅器件的優(yōu)良特性，使得碳化硅在電力電子器件研究方面蓬勃發(fā)展。碳化硅不僅能提高器件的耐壓能力，更重要的是其所具有的大幅度降低功率損耗的潛能。與硅和砷相比，碳化硅在兼顧器件功率和頻率的同時(shí)，還能耐高溫，在極大程度上提高了電子器件的性能。
半導體
作為高效發(fā)光半導體的制作原料，碳化硅已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)了大量的實(shí)驗和研究。在1923年時(shí)，就已經(jīng)發(fā)現碳化硅能產(chǎn)生通電發(fā)光的現象。碳化硅之所以能發(fā)光是由于通過(guò)雜質(zhì)能級的間接復合，其是一種間接帶隙半導體材料。從而得出若想改變發(fā)光的波長(cháng)，則通過(guò)在碳化硅中加入各種不同的雜質(zhì)，而光波也可覆蓋到從紅到紫的各種色光，制成發(fā)光二極管。
核能
由于碳化硅及碳化硅的復合材料都具有良好的耐高溫性和耐輻照性，使得碳化硅逐漸在核燃料元件的制造上被重視而得到廣泛應用。隨著(zhù)核能的研究不斷深入，核能的第四代系統被研發(fā)出來(lái)且被商業(yè)化發(fā)展，而需要適用于第四代核能系統的燃料元件也相繼被不斷開(kāi)發(fā)出來(lái)。新型燃料元件的制作材料也應隨之更新?lián)Q代，因其對包殼的材料提出了更高的要求。特別是當高溫氣冷堆TRISO型包覆顆粒被成功研發(fā)﹐因為碳化硅其本身所具有的的優(yōu)良特性，而成為了制作和設計新型燃料元件的包殼和基體材料的熱點(diǎn)關(guān)注。而關(guān)于碳化硅能核能領(lǐng)域的廣泛應用仍在不斷探索中。
汽車(chē)
在處理汽車(chē)尾氣方面，碳化硅材料的具有極高的耐熱溫度和導熱系數，而且碳化硅能使汽車(chē)在處理尾氣時(shí)的機械強度大幅提高，從而使得尾氣的處理過(guò)程能適應更加惡劣的再生環(huán)境。除此之外碳化硅材料的空隙結構可調性更為良好，能制備出具有孔隙率更高以及孔徑分布更為均勻的尾氣過(guò)濾裝置。其裝置的特點(diǎn)在于，能防止過(guò)濾裝置局部受熱過(guò)高，使裝置內部的溫度均勻分布，提高再生安全性能，延長(cháng)使用壽命。
其他
研究表明碳化硅膜在還能用于對香煙萃取液凈化過(guò)程中。40nm碳化硅超濾膜對造紙法再造煙葉萃取液具有良好的處理效果，膜后的萃取液基本達到了無(wú)渣的效果。且過(guò)膜后濃縮液大部分中性致香成分含量都有所提高，從而改善了產(chǎn)品的感官吸味，使得香氣質(zhì)和香氣量均有提高，對喉嚨的刺激變小。碳化硅高硬度、低熱膨脹系數的特性是良好的天文望遠鏡鏡面材料，其天然的抗氧化性使其常作為催化劑使用。除此之外還能用于版畫(huà)制作、石墨烯生產(chǎn)等。
安全事宜
消防
碳化硅不可燃，當周?chē)h(huán)境著(zhù)火時(shí)，可使用適當的滅火劑進(jìn)行滅火。
健康安全
碳化硅可能存在對人類(lèi)致癌的風(fēng)險。吸入碳化硅會(huì )造成咳嗽，當碳化硅接觸眼睛后會(huì )發(fā)紅，疼痛。職業(yè)接觸限值：閾限值：10mg/m；閾限值：3mg/m。最高容許濃度：1.5mg/m；妊娠風(fēng)險等級為C。吸入危險性：擴散時(shí)可較快地達到空氣中顆粒物公害污染濃度。短期接觸的影響：可能引起機械性刺激。
急救
眼睛：若不慎入眼應立即用大量水沖洗眼睛，如若佩戴了隱形眼鏡，在可行的情況下，摘除隱形眼鏡，而后就醫。
呼吸：若吸入大量碳化硅，應立即轉移至空曠新鮮空氣場(chǎng)地。
吞咽：如吞咽需立即就醫。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
