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碳化硅的品種及性質

發布者:唐山市國新耐火材料有限公司發表時間:2020-11-30

     碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個常用的基本品種,都屬α-SiC。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,大多用于加工硬質合金、鈦合金和光學玻璃,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。

  碳化硅由于化學性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、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葉輪或汽缸體的內壁,可提高其耐磨性而延長使用壽命1~2倍;用以制成的高級耐火材料,耐熱震、體積小、重量輕而強度高,節能效果好。低品級碳化硅(含SiC約85%)是極好的脫氧劑,用它可加快煉鋼速度,并便于控制化學成分,提高鋼的質量。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,僅次于世界上最硬的金剛石(10級),具有優良的導熱性能,是一種半導體,高溫時能抗氧化。

  碳化硅至少有70種結晶型態。α-碳化硅為最常見的一種同質異晶物,在高于2000 °C高溫下形成,具有六角晶系結晶構造(似纖維鋅礦)。β-碳化硅,立方晶系結構,與鉆石相似,則在低于2000 °C生成,結構如頁面附圖所示。雖然在異相觸媒擔體的應用上,因其具有比α型態更高之單位表面積而引人注目,而另一種碳化硅,μ-碳化硅最為穩定,且碰撞時有較為悅耳的聲音,但直至今日,這兩種型態尚未有商業上之應用。

  因其3.2g/cm3的比重及較高的升華溫度(約2700 °C) ,碳化硅很適合做為軸承或高溫爐之原料物件。在任何已能達到的壓力下,它都不會熔化,且具有相當低的化學活性。由于其高熱導性、高崩潰電場強度及高最大電流密度,在半導體高功率元件的應用上,不少人試著用它來取代硅。此外,它與微波輻射有很強的耦合作用,并其所有之高升華點,使其可實際應用于加熱金屬。純碳化硅為無色,而工業生產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為其表面產生之二氧化硅保護層所致。

  物質結構純碳化硅是無色透明的晶體。工業碳化硅因所含雜質的種類和含量不同,而呈淺黃、綠、藍乃至黑色,透明度隨其純度不同而異。 碳化硅晶體結構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由于其晶體結構中碳和硅原子的堆垛序列不同而構成許多不同變體,已發現70余種。β-SiC于2100℃以上時轉變為α-SiC。碳化硅的工業制法是用優質石英砂和石油焦在電阻爐內煉制。煉得的碳化硅塊,經破碎、酸堿洗、磁選和篩分或水選而制成各種粒度的產品。

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