国内外碳化硅的研究和发展、

摘要：

随着工业的发展和科学技术的进步，碳化硅的非磨削用途在不断扩大，在耐炎材料方面用于制作各种高级耐炎制品，如垫板、出铁槽、坩锅熔池等；在冶金工业上作为炼钢脱氧剂，可以节电，缩短冶炼时间，改善操作环境；在电气工业方面利用碳化硅导电、导热及抗氧化性来制造发热元件——硅碳棒。碳化硅的烧结制品可作固定电阻器，在工程上还可作防滑防腐蚀剂。碳化硅与环氧树脂混合可涂在耐酸容器中、蜗轮机叶片上起防腐耐磨作用。SiC由于具有优良的耐高温、耐磨耗、耐腐蚀及高的热传导性能，近年来受到人们极大关注。作为一种新型的非氧化物精细陶瓷材料，其研究与应用均取得了长足的发展。

关键词：碳化硅，结构，粉体合成，碳化硅制品

正文：

一、SiC的结构

SiC晶型结构有αβ型二种，α型为六方晶型，β型为立方晶型。α型SiC 的分解温度在2400度左右，称为高温异形体2在温度低于2000度时，SiC以β型方式存在，称为低温异形体。立方晶型的β—SiC可在1450度左右由简单的硅和碳混合物制得，温度高时β—SiC 会转相生成α—SiC。SiC没有一个固定的熔点，在密堆积系中，在1bar 总压力下，约在! 0.3!时分解成石墨和富硅熔融物，此温度是形成SiC晶体的最高温度。在松散的堆积系中，SiC在2300度左右开始分解，形成气态硅和石墨残余物。

二、SiC粉体的制作方法

SiC粉体的制作方法大体可分为两大类。一是把由固相得到的粗粒子进行粉碎的分解方法；另一类是用气相法等直接合成SiC 细粉末的聚集方法。这两大类方法根据原料的种类和加热方式的不同，又被分成几种。

（1）A cheson法

这是一种最古老的工业化生产SiC的方法，把硅石和焦炭进行混合作为原料，充填在石墨炉芯的周围，给炉芯通电加热，使炉芯周围温度达2500度以上，反应生成物在此温度下反复进行再结晶，就得到了从晶粒成长起来达数cm厚度的α—

SiC块状物。其反应分两部进行：

得到的块状物一般要选其紧靠炉芯的α—SiC部分，在粉碎后经精制、分级等步骤，最后得到α—SiC粉体。

（2）S iO2还原碳化法

和Acheseon 法相同，把硅石和碳的混合粉末作为原料，在反应炉中加热到

和碳进行气相及气固相反应，生成β—SiC粉末，这也1400~1800度，蒸发的SiO

2

是工业化生产β—SiC 的方法，合成原料的粒径越小，反应效率越高，这也是低温下进行微细粉末合成的一种方法。在此基础上又开发了溶胶, 凝胶法和气相反应法等把合成的粒径在100nm下的超微粉混合粉作为原料的方法。

（3）金属硅碳化法

该法是使用半导体用的高纯金属硅，使其和C直接进行固相反应的方法。

这是在硅的熔点（1414度）以下的低温条件下进行β—SiC的合成，再加上是固相反应，反应热和熔化热很高，难以进行反应体系控制。在反应中一部分硅熔化，很难控制其粒径的大小，该方法的改良是把熔融的Si，在用喷嘴喷雾的同时使之碳化，得到粒径呈球状的SiC的合成方法及把Si和C 的混合物，用电子辐射等方式使其蒸发来收集SiC微粉体的方法。

（4）气相反应法

该法是一种使气态Si和碳化物反应合成SiC 微粉的方法。反应温度根据不同的气体，选择在1200~1300度，采用等离子体或激光作为加热源激发气体进行合成。根据条件用等离子体或激光等的激发反应法，可得到非晶质粉末，其特征是可以得到高纯度、球形的超细粉体。在原料气体阶段，可进行原料的精制和预混合的处理等。原料气体的种类及反应条件选择的范围宽，对有复合组织的粉末等具有微观构造控制的可能性。表1 列出用于气相合成法的化学原料种类。

（5）热分解法

是使有机硅化合物进行热分解合成SiC的方法。原料是气体时，和气相合成法几乎相同，也可以使用由等离子体和激光进行的激发反应法；原料是固体或液体时，是把溶解在有机溶剂中的溶液进行喷雾实现热分解。对于含碳量多的液体化合物，可改变聚合度（分子量），控制粘度，也可以把烧结助剂由共聚达到予混合，表2列出用于气相热分解法的化学原料种类。

（6）制作的粉体特征

表3给出用不同方法制作的SiC粉体的特征值。

以上表中1~4是用分解方法，可以进行规模较大的生产制作，5~8还处于实验室规模。用分解方法生产的SiC粉体，粒子形状是不定形的，含有粒内缺陷和微细裂缝等缺陷，易形成粒度分布大的粉体。用聚集方法可得到球形微细粒子组成的粉体，但聚集方法也得到中空粒子和锁状结合连接的粒子，粒径越小，越不利于成形性，所以并非用气相法得到的粉体的几何学的特征就一定很优良。不管哪种方法，都是以原材料的高纯化尽可能抑制金属不纯物的量。但只保证原料的高纯化，并不能降低非金属不纯物的量，这是由于反应的不完全和粉体的氧化等原因造成的。在非金属不纯物中，游离硅和游离碳是反应不完全造成的。没有参加反应的原料，反应环境气氛的污染和粉碎时的氧化等原因造成含氧量的增加。用聚集法的粉体，因反应性高的气体原料和反应容器内部的水和氧反应，一次合成

的粉体的表面活性大，容易被氧化，这就造成比聚集法的粉体含氧量多。

表4给出粉体制作方法和粒子的形态及构造的特征。

以下图1和图2 分别描绘了采用（A）、（B）两种不同的方法J得到的不同结果。

三、SiC制品的制作方法

SiC 成形体的制造工艺如图3 所示。

四、SiC制品的性能指标及评估

SiC作为一种新型高温工程结构陶瓷，其主要特征是耐高温、高强度、耐腐蚀、耐磨耗、热传导率高、重量轻。不同用途的产品有不同的性能要求，一般精细陶瓷传统的评价方法是从四个方面进行：力学性能，热学性能，电学性能和抗腐蚀性能。

五、SiC的应用

（1）磨具、磨料

研磨砂纸和砂轮的磨料及研磨抛光用材料，可得到精度很高的研磨面，可对各种材料进行精细和超精细加工。SiC的磨具、磨料可对低张力材料如铸铁、黄铜、铝材、磁头材料等进行加工；对脆性材料如各种石材、玻璃、陶瓷等进行加工；对超硬材料如硬质合金、铁素体等进行加工；对硅半导体材料进行加工；对合成树脂系列非热传导性物质进行加工。

（2）耐火材料

普通高温条件下使用的砖、板及高级特殊用途的耐火材料如烧结炉用棚板、箱、容器、发热管、炉芯管、半导体加工用的夹、挂具、支架等。

（3）炼铁、炼钢用添加剂

熔炼铸铁时，加入SiC，有利于碳化、硅化，改善铸铁质量；炼钢时加入SiC