碳化硅

　　1結(jié)構(gòu)

　　英文名稱：silicon carbide,俗稱金剛砂。純碳化硅是無色透明的晶體。工業(yè)碳化硅因所含雜質(zhì)的種類和含量不同，而呈淺黃、綠、藍(lán)乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中碳和硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成許多不同變體，已發(fā)現(xiàn)70余種。β-SiC于2100℃以上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;-SiC。

　　碳化硅的工業(yè)制法是用優(yōu)質(zhì)石英砂和石油焦在電阻爐內(nèi)煉制。煉得的碳化硅塊，經(jīng)破碎、酸堿洗、磁選和篩分或水選而制成各種粒度的產(chǎn)品。

　　2種類

　　碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個(gè)常用的基該品種，都屬α-SiC。①黑碳化硅含SiC約95%，其韌性高于綠碳化硅，大多用于加工抗張強(qiáng)度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等。②綠碳化硅含SiC約97%以上，自銳性好，大多用于加工硬質(zhì)合金、鈦合金和光學(xué)玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速鋼刀具。此外還有立方碳化硅，它是以特殊工藝制取的黃綠色晶體，用以制作的磨具適于軸承的超精加工，可使表面粗糙度從Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。

　　3特性

　　碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)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(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)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(jí)耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高，節(jié)能效果好。低品級(jí)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(xué)成分，提高鋼的質(zhì)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(jí)，僅次于世界上最硬的金剛石（10級(jí)），具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時(shí)能抗氧化。

　　碳化硅分類及性質(zhì)：

　　基本信息列表

　　中文名稱:碳化硅

　　中文別名:碳化硅晶須

　　英文名稱:Silicon Carbide (Black)

　　英文別名:Silicon Carbide Black; silanyliumylidynemethanide; methylsilane; carbon(+4) cation; silicon(-4) anion

　　CAS:409-21-2

　　EINECS:206-991-8

　　分子式：SiC

　　分子量:40.0962

　　碳化硅至少有70種結(jié)晶型態(tài)。α-碳化硅為最常見的一種同質(zhì)異晶物，在高于2000 °C高溫下形成，具有六角晶系結(jié)晶構(gòu)造（似纖維鋅礦）。β-碳化硅，立方晶系結(jié)構(gòu)，與鉆石相似，則在低于2000 °C生成，結(jié)構(gòu)如頁面附圖所示。雖然在異相觸媒擔(dān)體的應(yīng)用上，因其具有比α型態(tài)更高之單位表面積而引人注目，但直至今日，此型態(tài)尚未有商業(yè)上之應(yīng)用。

　　因其3.2的比重及高的升華溫度（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(dá)到的壓力下，它都不會(huì)熔化，且具有相當(dāng)?shù)偷幕瘜W(xué)活性。由于其高熱導(dǎo)性、高崩潰電場強(qiáng)度及高最大電流密度，在半導(dǎo)體高功率元件的應(yīng)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(qiáng)的偶合作用，并其所有之高升華點(diǎn)，使其可實(shí)際應(yīng)用于加熱金屬。

　　純碳化硅為無色，而工業(yè)生產(chǎn)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?yàn)槠浔砻娈a(chǎn)生之二氧化硅保護(hù)層所致。

　　4歷史沿革

　　碳化硅是由美國人艾奇遜在1891年電熔金剛石實(shí)驗(yàn)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室偶然發(fā)現(xiàn)的一種碳化物，當(dāng)時(shí)誤認(rèn)為是金剛石的混合體，故取名金剛砂，1893年艾奇遜研究出來了工業(yè)冶煉碳化硅的方法，也就是大家常說的艾奇遜爐，一直沿用至今，以碳質(zhì)材料為爐芯體的電阻爐，通電加熱石英SIO2和碳的混合物生成碳化硅。

　　關(guān)于碳化硅的幾個(gè)事件

　　1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅

　　1907年 第一只碳化硅晶體發(fā)光二極管誕生

　　1955年 理論和技術(shù)上重大突破，LELY提出生長高品質(zhì)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(huì)議進(jìn)行學(xué)術(shù)交流

　　1978年 六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯(lián)進(jìn)行研究。到1978年首次采用“LELY改進(jìn)技術(shù)”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(chǎn)線，供應(yīng)商開始提供商品化的碳化硅基

　　5產(chǎn)能情況

　　我國有碳化硅冶煉企業(yè)200多家，年生產(chǎn)能力220多萬噸（其中：綠碳化硅塊120多萬噸，黑碳化硅塊約100萬噸）。冶煉變壓器功率大多為6300~12500kVA，最大冶煉變壓器為32000kVA。加工制砂、微粉生產(chǎn)企業(yè)300多家，年生產(chǎn)能力200多萬噸。2012年，我國碳化硅產(chǎn)能利用率不足45%。約三分之一的冶煉企業(yè)有加工制砂微粉生產(chǎn)線。碳化硅加工制砂微粉生產(chǎn)企業(yè)主要分布在河南、山東、江蘇、吉林、黑龍江等省。

　　我國碳化硅冶煉生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備和單噸能耗達(dá)到世界領(lǐng)先水平。黑、綠碳化硅原塊的質(zhì)量水平也屬世界級(jí)。我國碳化硅與世界先進(jìn)水平的差距主要集中在四個(gè)方面：一是在生產(chǎn)過程中很少使用大型機(jī)械設(shè)備，很多工序依靠人力完成，人均碳化硅產(chǎn)量較低；二是在碳化硅深加工產(chǎn)品上，對粒度砂和微粉產(chǎn)品的質(zhì)量管理不夠精細(xì)，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性不夠；三是某些尖端產(chǎn)品的性能指標(biāo)與發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品相比有一定差距；四是冶煉過程中一氧化碳直接排放。國外主要企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了封閉冶煉，而我國碳化硅冶煉幾乎全部是開放式冶煉，一氧化碳全部直排。2012年，我國企業(yè)開發(fā)出了封閉冶煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一氧化碳全部回收，但是距離全行業(yè)普及還有很長的路要走。

　　根據(jù)中國機(jī)床工業(yè)協(xié)會(huì)磨料磨具專委會(huì)碳化硅專家委員會(huì)的數(shù)據(jù)，截至2012年底，全球碳化硅產(chǎn)能達(dá)260萬噸以上，產(chǎn)能達(dá)到1萬噸以上的國家有13個(gè)，占全球總產(chǎn)能的98%。其中中國碳化硅產(chǎn)能達(dá)到220萬噸，占全球總產(chǎn)能的84%。

　　6市場需求

　　我國碳化硅冶煉企業(yè)主要分布在甘肅、寧夏、青海、新疆、四川等地，約占總產(chǎn)能85%。

　　2012年在中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度放緩的情況下，生產(chǎn)情況普遍不理想，加之光伏企業(yè)舉步維艱，碳化硅作為耐材、磨料和光伏行業(yè)的基礎(chǔ)原材料，出口和內(nèi)銷均大幅下滑。綠碳化硅微粉加工企業(yè)更是身陷光伏企業(yè)的債務(wù)鏈條，多數(shù)冶煉企業(yè)沒有開工，或者短暫開工后即停產(chǎn)。