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碳化硅粉体的制备与应用
2017年11月13日 发布
分类：粉体加工技术 点击量：13031
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碳化硅（silicon carbide），化学式为SiC，属于共价键材料，C和Si同属一族，均有四价的化合键，同时Si元素还具有金属特性，两种元素组成的物质，其结构上具有网状、体型特点，性质上拥有高的强度，故碳化硅材料性能是良好的高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、高热导、高绝缘性。
结构决定性能，越高的性能，就要求碳化硅材质显微结构的的精细化，因此其制备方法成为高性能碳化硅材料获取的关键。
一、碳化硅粉体的制备方法 碳化硅粉体的制备方法，既有传统的固相反应法，又有最新的溶胶-凝胶（sol-gel）法、激光法、等离子法，本文从大体上按气、固、液三项对常用的方法进行分类如下。
1.固相法 1.1.碳热还原法 该法由Acheson发明，具体方法：在Acheson电炉中，石英砂中的二氧化硅被碳还原制得碳化硅，该法获得的碳化硅颗粒较粗，耗电量大，反应方程式为：
SiO2+3C=SiC+2CO
随后各国对Acheson法进行了改进，如潘顺龙等[1]，利用炭黑和水玻璃溶液为原料，氢气为保护气，在高温石墨炉中1550℃条件下反应5小时，得到碳化硅粉体。
1.2.碳-硅直接反应法 1.2.1.自蔓延高温合成法（SHS） 外加热源点燃反应物坯体，利用材料在合成过程中放出的化学反应热来自行维持合成过程。
SiO2+C+2Mg-SiC+2MgO
此法获得的粉体纯度高，粒度小，但需要酸洗等工序除去Mg。
1.2.2.机械合金化法 杨晓云等[2]将碳粉和硅粉按照1:1的摩尔比制成混合粉末，磨球和磨粉按质量比40:1封装在氩气罐中，在球磨机上进行机械球磨，25小时后得到平均晶粒尺寸约为6nm的碳化硅粉体。
2.液相法 2.1.溶胶-凝胶法 该法以液体化学试剂配制成Si的醇盐前驱体，将它在低温下溶于溶剂形成均匀的溶液，加入适当的凝固剂使得醇盐发生水解、聚合反应后生成均匀而稳定的溶胶体系，再经过长时间放置或干燥处理，浓缩成Si和C在分子水平上的混合物或聚合物，继续加热形成组分均匀且粒径细小的SiO2和C的两相混合物，在1460~1600℃发生碳还原反应最终制得SiC细粉。
2.2.聚合物分解法 Chinag等[3]采用聚合物热解方法形成玻璃碳浸入液态硅制备碳化硅陶瓷材料，采用三乙烯乙二醇、二羟基乙基醚和糠醇树脂混合物，在有机酸的催化作用下发生聚合和糠醇相分离，然后热解，形成微孔碳，最后液态硅烧结并去除游离硅。制得碳化硅粉体。
3.气相法 3.1.气相反应沉淀法 杨修春等[4]对SiH4-C2H4-H2体系在1423~1673K进行研究，制得平均粒径为11nm的碳化硅。
3.2.等离子法 于威等[5]利用等离子体化学气相沉淀法制备了碳化硅。
3.3.激光诱导气相法 战可涛等[6]以SiH4和C2H4为原料气体，制备出平均粒径为20nm。
二、碳化硅粉体的应用 如上所述，碳化硅粉体具有高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、高热导、高绝缘性等性能，而性能决定应用，碳化硅粉体的应用方向主要有以下几类：
1.磨料-磨具 利用其高耐温性及耐磨性，常常用于制作磨料-磨具。在艺术上，碳化硅是现代宝石因耐久性和材料成本低流行的磨料。在制造业中，它用于磨削、珩磨、水射流切割和喷砂等磨料加工过程中的硬度。碳化硅颗粒复合纸制造砂纸和滑板的握把带。
2.结构材料 在高温窑炉中，碳化硅用作支撑和搁置材料，如烧制陶瓷、玻璃熔凝或玻璃浇铸。以及生产一种新的用于航空、航天、汽车和微电子的强塑性合金。
3.汽车零部件 硅渗透碳-碳复合材料用于高性能的“陶瓷”刹车盘，因为它能够承受极端温度。碳化硅也用于烧结形成柴油微粒过滤器。SiC还用作润滑油添加剂以减少摩擦，废气排放。
4.铸造坩埚 利用碳化硅的耐高温特性，用于执照熔融金属的坩埚。
5.电气系统 最早应用在电气系统的是避雷器。碳化硅具有电压依赖性的电阻，因此高压电力线和地球之间连接有碳化硅颗粒柱。
6.电子电路元件 碳化硅是第一个商业上重要的半导体材料。晶体收音机“金刚砂”（合成碳化硅）探测器二极管是1906年发明的。
7.电力电子器件 SiC芯片比硅功率器件的功率密度更高，能够处理的温度超过150°C。
8.发光二极管 SiC是一个重要的LED组件-它是一种流行的衬底，它也可以作为大功率LED的一个散热片。
9.天文学 利用其低热膨胀系数、高硬度、高刚性和导热性，碳化硅成为天文望远镜的理想镜面材料。
10.细丝高温计 碳化硅纤维用于测量气体的温度在光学技术称为细丝高温计。它包括在热气流中放置细丝。
11.加热元件 碳化硅可作为玻璃、陶瓷、电子元件等的加热元件，如生产燃气加热器的指示灯点火器。
12.珠宝 作为宝石饰品，碳化硅被称为“合成碳硅石”或者是“碳化硅”。
13.钢铁生产 碳化硅，溶解在炼钢用的基本氧气炉中，起到燃料的作用。
14.催化剂载体 碳化硅表现出的天然抗氧化性，以及新的合成立方β-碳化硅形式的新方法，具有较大的比表面积，引起了人们对非均相催化剂载体的极大兴趣。
15.石墨烯生产 碳化硅被用来在高温下石墨化生产石墨烯。这被认为是一种在实际应用中大规模合成石墨烯的方法。
作者：Avlon
参考文献 [1] 潘顺龙，杨岩峰，张敬杰，等. 水玻璃包覆炭黑直接制备超细碳化硅粉体[J]. 硅酸盐学报，2005，33（8）:980-985. [2] 杨晓云，黄震威. 球磨碳化硅粉末合成纳米碳化硅的高分辨电镜观察[J]. 金属学报，2000，36（7）：684-688. [3] Chinag Y, Messnar P, Terwilliger C D. Reaction formed silicon carbide[J]. Mater. Sci. Eng., 1991,144:63-74. [4] 杨修春，韩高荣.化学气相反应法制备纳米碳化硅粉的研究[J].功能材料，1998，29（5）：523-526. [5] 于威，王保柱，孙运涛，等. 螺旋波等离子体化学气相沉淀法制备纳米碳化硅薄膜[J].人工晶体学报，2003，32（3）：272-275. [6] 战可涛，线全钢，郑丰等.激光法制备高纯纳米碳化硅粉体及其产率[J].北京化工大学学报，2002，29（5）：75-78. 
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