SiC的合成与发展研究

SiC的合成与发展研究学院:材料与化工学院专业:化学工程与工艺学号:20090411310059姓名:薛进军2011.10.6【摘要】碳化硅又称碳硅石。

碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。

近年来，在低碳经济大潮的带动下，太阳能光伏产业迅猛发展，作为光伏产业用的材料，碳化硅特别是绿碳化硅的销售市场异常火爆，使得众多磨料磨具业界人士开始格外关注碳化硅行业。

在2010年秋季全国磨料磨具行业信息交流暨第52届中国刚玉碳化硅交易会的小组分会中，碳化硅分会场一改往届与其它分会场相比人气不足的常态，势压刚玉、磨具分会场成为人气最高、讨论最激烈的会场。

会上中平能化集团易成新材料有限公司董事长孙毅就碳化硅行业的发展前景作了系统的分析。

关键词：碳化硅、合成、碳化硅的研究发展。

一、碳化硅的起源碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种物质，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂，1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法，也就是大家常说的艾奇逊炉，一直沿用至今，以碳质材料为炉芯体的电阻炉，通电加热石英SIO2和碳的混合物生成碳化硅。

二、碳化硅的简介碳化硅包括黑碳化硅和绿碳化硅。

其中：黑碳化硅是以石英砂，石油焦和优质硅石为主要原料，通过电阻炉高温冶炼而成。

其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，性脆而锋利。

绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料，添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。

其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉。

常用的碳化硅磨料有两种不同的晶体，一种是绿碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于磨硬质合金工具。

另一种是黑碳化硅，有金属光泽，含SiC 95%以上，强度比绿碳化硅大，但硬度较低，主要用于磨铸铁和非金属材料。

三、碳化硅的性质碳化硅分子式为SiC，其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，可作为磨料和其他某些工业材料使用。

工业用碳化硅于1891年研制成功，是最早的人造磨料。

在陨石和地壳中虽有少量碳化硅存在，但迄今尚未找到可供开采的矿源。

纯碳化硅是无色透明的晶体。

工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。

碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。

α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。

β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。

碳化硅的工业制法是用优质石英砂和石油焦在电阻炉内炼制。

炼得的碳化硅块，经破碎、酸碱洗、磁选和筛分或水选而制成各种粒度的产品。

碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基本品种，都属α-SiC。

①黑碳化硅含SiC约95%，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。

②绿碳化硅含SiC约97%以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。

此外还有立方碳化硅，它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体，用以制作的磨具适于轴承的超精加工，可使表面粗糙度从Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。

碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高,节能效果好。

低品级碳化硅（含SiC约85%）是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。

此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。

碳化硅的硬度很大，具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。

四、碳化硅的用途(1)作为磨料，可用来做磨具，如砂轮、油石、磨头、砂瓦类等。

(2)作为冶金脱氧剂和耐高温材料。

碳化硅主要有四大应用领域,即: 功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。

目前碳化硅粗料已能大量供应, 不能算高新技术产品,而技术含量极高的纳米级碳化硅粉体的应用短时间不可能形成规模经济。

化工可用做炼钢的脱氧剂和铸铁组织的改良剂，可用做制造四氯化硅的原料，是硅树脂工业的主要原料。

碳化硅脱氧剂是一种新型的强复合脱氧剂，取代了传统的硅粉碳粉进行脱氧，和原工艺相比各项理化性能更加稳定，脱氧效果好，使脱氧时间缩短，节约能源，提高炼钢效率，提高钢的质量，降低原辅材料消耗，减少环境污染，改善劳动条件，提高电炉的综合经济效益都具有重要价值。

耐磨、耐火和耐腐蚀材料利用碳化硅具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性，碳化硅一方面可用于各种冶炼炉衬、高温炉窑构件、碳化硅板、衬板、支撑件、匣钵、碳化硅坩埚等。

另一方面可用于有色金属冶炼工业的高温间接加热材料,如竖罐蒸馏炉、精馏炉塔盘、铝电解槽、铜熔化炉内衬、锌粉炉用弧型板、热电偶保护管等；用于制作耐磨、耐蚀、耐高温等高级碳化硅陶瓷材料；还可以制做火箭喷管、燃气轮机叶片等。

此外，碳化硅也是高速公路、航空飞机跑道太阳能热水器等的理想材料之一(3)高纯度的单晶，可用于制造半导体、制造碳化硅纤维。

主要用途：用于3—12英寸单晶硅、多晶硅、砷化钾、石英晶体等线切割。

太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业工程性加工材料。

五、碳化硅的发展1905年第一次在陨石中发现碳化硅1907年第一只碳化硅发光二极管诞生1955年理论和技术上重大突破，LELY提出生长高品质碳化概念，从此将SIC作为重要的电子材料1958年在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流1978年六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。

到1978年首次采用“LELY改进技术”的晶粒提纯生长方法1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的碳化硅1．碳化硅行业发展现状总量大中国是碳化硅的生产大国和出口大国，2009年碳化硅总产量达53.5万吨左右，占全球总数的56.3%，居世界第一。

我们预计，2010年截止9月份仅绿碳化硅产量就将达到80万吨。

附加值低碳化硅行业产量大，但缺乏竞争力。

尽管产量足够供应，中国制造的碳化硅产品大部分是低端和初步加工，对于某些需求供应高附加值的成品和深加工产品存在很大的差距。

尤其是高性能工程陶瓷、用以高端的研磨粉等产品的供应还远远没有满足，核心技术大多仍由日本控制。

主要还是靠进口弥补国内市场的不足。

光伏行业带动出现机会随着传统矿物质能源日益枯竭，以太阳能电池为代表的光伏产业得到迅速发展。

据我国正在制定的《新兴能源产业发展规划》显示，到2020年可再生能源消费占一次能源消费中的比例要达到15%，光伏产业发展趋势总体呈现稳中有升。

碳化硅是光伏产业链上游环节——晶硅片生产过程中的专用材料，受光伏行业发展的带动，碳化硅行业通过产品结构升级和下游需求的扩展带来了一些机会。

不确定性尽管如此，由于碳化硅生产属于高耗能、高污染，受到能源短缺的阻碍和国家能源节约的政策影响，还有一些具体审查和批准新项目受到闲置，比如低电价优惠的有关政策已经被取消；目前国家严格控制新项目，原有6300KVA以下规模的碳化硅冶炼要求强制关停。

所以碳化硅行业的未来发展将面临很多不确定性。

1.碳化硅行业竞争格局分析(1)外部经济环境经济态势向好根据世界银行最新统计预测，中国经济有望继2009年国际金融危机冲击下“保八”成功后，这为碳化硅行业的发展提供了良好的外部发展环境。

在世界经济逐步好转、现行宏观政策基本取向不变的情景下，2010年将延续2009年下半年经济较快增长的良好态势。

据专家预测，“十二五”期间经济政策仍将保持稳中趋紧、经济发展将不改上升趋势，只是上升的斜度将有所调整，即将在不断调整中持续稳定向好。

行业政策趋紧根据“十一五”规划提出单位国内生产总值能耗降低20%左右的目标，全国节能工作取得了积极进展，前四年全国单位GDP能耗累计下降15.61%，但由于一些地方高耗能、高排放行业增长过快，今年上半年全国单位GDP能耗同比不降反升0.09%，全国有7个地方单位GDP能耗也出现上升，形势非常严峻，任务更加艰巨。

低碳经济主导绿色GDP在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段发展低碳经济，追求绿色GDP，成为中国政府对全社会的承诺。

为确保实现“十一五”节能减排目标，近期国务院要求各地区进一步加大工作力度，主要是要求各地对落后产能坚决依法关停淘汰，严格限制高耗能、高排放行业过快增长，目的是提高经济发展的质量和效益。

(2)分析要素优势国内拥有相对廉价的劳动力资源；当前碳化硅制备的技术成熟、资源丰富；碳化硅行业已初具集群化发展趋势。

劣势行业规模还太小，政策、资金方面的抗风险能力差；行业秩序有待进一步规范，制约行业整体健康发展；行业交流就关键技术、长远发展等的交流还显不足。

机会碳化硅用途广泛，越来越多的新市场正待开发；以线切割为代表的新型领域，正引领碳化硅行业换代升级；随着国际和中国经济形势的好转，碳化硅行业也会迎来一定的发展机会，需要注意的是国家对环境的管控将会更加严厉。

威胁针对碳化硅新用途的技术研发呈加速趋势，替代技术大量出现。

太阳能光伏产业仍处在快速成长期，有多种技术在激烈竞争。

目前晶硅电池在市场份额上占了领先地位，但是其他技术也在快速演进中。

如若把硅晶电池看做第一代电池技术，今后会有无机薄膜电池、薄膜电池等二三代电池技术。

电池技术会向更高的发电效率上发展，这是一种趋势。

目前现有硅片切割技术的一种替代技术即梅耶.伯格的钻石内嵌线锯技术（Diamond Wire），据了解有15家左右的硅片厂商在配合梅耶.伯格对该技术进行第二轮的测试，日本的友达光电宣称其已采用该技术实现量产。

梅耶.伯格更预测在2011-13年，市场上三分之一的客户将会转用钻石内嵌线锯。

此外，当前硅片切割企业已经不约而同地进行废砂浆的回收利用，而且这个举措可以使企业使用切割液和碳化硅微粉的成本降低至少50%。

随着回收技术的提高，可以实现回收液、回收砂和新液、新砂以1：1的比例混合使用，大大降低了硅片的生产成本，使得硅片切割厂家从09年以来对废砂浆回收越来越愿意接受，因此，这将使碳化硅行业面临严峻的挑战。

碳化硅行业本身属于微利行业，目前受多方面因素影响，预计行业利润将进一步呈现下降趋势。

(3)碳化硅行业内部竞争行业准入门槛相对较低，大量企业和资本涌入，造成企业数量多、规模小、比较分散，议价能力不强，只能使行业回归到以牺牲资源为代价，靠拼规模、拼成本的原有发展方式，不去追求依靠科技进步、管理创新的科学发展模式，以质劣价廉的产品来扰乱市场，换取自身短期的生存和发展，已严重影响到了行业的正常发展趋势及下游光伏产业的创新发展。