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碳化硅的小故事:合成人造钻石中的一个“美好意外”
2020年02月05日 发布 分类:粉体入门 点击量:320
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碳化硅可以做的事情有很多,磨料、刀具、结构件、催化剂载体等等……但是今天不讨论它有多了不起可以发挥多少作用,而是聊一些更为轻松的话题,比如说——碳化硅到底是怎么被弄出来的。

碳化硅及其晶体的球棒模型

谈到碳化硅的起源,就不得不提到人造钻石——自1797年人们发现钻石几乎是由纯碳组成的矿物开始,希望能够通过人工控制方式将其生产出来的尝试就没有停止过。比如说在早期报告中,有一例比较可信的就是英国化学家詹姆斯·巴兰坦·汉内,他在1880年时于泰晤士报上公开宣布,其通过在模仿炮管制备的铁质卷筒内填充石蜡等反应材料,并在大型反射炉中灼烧的实验中获得的透明碎粒状物质就是钻石。不过他一共进行了83次实验,只有3次获得了同种物质,由此可见人造钻石实验的成功率有多低,而碳化硅,就是在这无数的失败的人造钻石实验中意外诞生的。

1824年,瑞典科学家Jons Jakob Berzelius在合成金刚石时观察到碳化硅(SiC)的存在,就此拉开了人类对于碳化硅材料研究的序幕。直到1891年,美国人艾奇逊(E.G. Acheson尝试在铁锅中加热粘土(硅酸铝)和焦炭粉的混合物合成人造钻石的过程中偶然得到了碳化硅,他将得到的蓝色晶体误认为是一种由碳和铝构成的类似刚玉的物质,故取名金刚砂。但无论如何,他就这样发现了能真正实现碳化硅的大量制备的工艺。

艾奇逊(E.G. Acheson

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,并在228日时为这种合成碳化硅粉末的方法申请了专利保护且,之后一直沿用至今。这种方法是同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,合成的碳化硅会因距离石墨电阻加热源远近的不同在纯度上有一定的差别,最靠近电阻加热源的地方产生的无色、淡黄色或绿色的碳化硅晶体纯度最高。

同样在1893年,亨利·莫瓦桑在研究陨石样品时发现了罕有的在自然条件下存在的碳化硅矿石,并将之命名为莫桑石,之后也通过几种方法合成了碳化硅(包括用熔融的单质硅熔解单质碳、将碳化硅和硅石的混合物熔化和在电炉中用单质碳还原硅石的方法),但在1903年时莫瓦桑还是将碳化硅的发现归功于艾奇逊。

放大14倍的莫桑石(图片来源:Wikimedia Commons

就是这样的一次“意外之喜”,将碳化硅推至了历史的舞台上,让人不得不感慨化学的神奇性。如今,碳化硅已经成为了重要的工业必需品,凭借自身的独特性能在各行各业发挥着关键作用。从最基础的磨具磨料到极具科技含量的半导体产品,碳化硅一直在科研人员的推动下不断地“进化”着,之后它还会为我们带来什么惊喜呢,就让我们拭目以待。

粉体圈 小榆


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