碳化硅的冶炼及应用

        碳和硅的化合物。分子式为SiC，分子量40.10，硬度仅次于金刚石和碳化硼。碳化硅是一种人造材料，自然界中在陨石及地壳上偶然存在。

        生产方法碳化硅工业生产的主要方法是在电阻炉中用碳来还原二氧化硅。此时，在高温下所发生的化学反应可用下式表示：

        SiO2+3C=SiC+2CO

        碳化硅生产通常以石英砂、石油焦为主要原料，经过破碎成合适的粒度，然后按配料的模数计算(模数是指假定二氧化硅和碳都是纯的，其混合料中碳的百分率)，混合成炉料。为调节透气性，要加入适量的木屑。炼制绿碳化硅时，炉料中须加适量的食盐。二氧化硅同碳的比值决定着产品的质量和生产过程中的各项指标。在实践中该比值按配料的模数M来计算：

        式中C为碳含量，%；SiO2为二氧化硅含量，%。

        向在中心部位铺砌。炉芯的横截面积呈矩形，一般采用窄而高的炉芯。炉子装好后通电加热，使炉料反应。视炉子功率及炉芯横截面尺寸的不同，送电过程延续22-40h。功率是电炉供电时最主要的控制参数，必须及时调整电压来满足工艺所规定的功率要求。炉子冷却后出炉。

        从炉子中取出的碳化硅结晶块，经过分级、粗碎、细碎，再经过水洗或化学处理。化学处理指碱洗和酸洗：先用苛性钠溶液处理，使其中的硅、二氧化硅及硅化物溶解，再用硫酸酸洗，除去金属铁、氧化铁、氧化钙、氧化镁等杂质，无论碱洗或酸洗都能除去一部分氧化铝。化学处理后再经干燥、筛分、磁选分成各种粒度的碳化硅成品。

        分类和分级 按色泽、用途和结构的不同，碳化硅可分为不同的类别。纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅则有M来计算：无色、淡黄色、浅绿色、深绿色或浅蓝色、深蓝色乃至量大时会促使碳化硅分解。为减少有害气体二氧化碳化硅有21个粒度等级。80号及其以上的磨料称硫的排出，硫含量应尽可能低。最合适碳质材料磨粒，100～280号磨料称磨粉。是低灰分的石油焦，低灰分无烟煤也可采用。要求按用途不同，碳化硅又分为磨料用、耐火材料石油焦灰分小于1.5%，固定碳大于87%；要求无烟用、脱氧剂用、电工用碳化硅等。磨料用碳化硅其煤灰分不大于3.5%，硫含量不大于1.5%。为增加SiC含量应在98%以上。耐火材料用碳化硅又分为反应表面积，一般规定最大粒度不大于3mm。木屑(1)高级耐火材料黑碳化硅，其SiC含量与磨料用碳用来调整炉料透气性，以采用硬质木材的锯木屑为化硅完全相同；(2)二级耐火材料黑碳化硅，SiC含量宜。生产亚绿碳化硅时加入食盐，食盐中的NaCl含大于90%；(3)低品位耐火材料黑碳化硅，SiC含量量应在97%～99%。大于83%。脱氧剂用碳化硅，SiC含量一般要求大将配制好的反应料与保温料装于工业电阻炉于90%。

        但炭素工业石墨化炉保温料中碳化硅含量中。电阻炉有固定式和移动式两种，较完善的是炉大于45%的经过处理也可用做炼钢脱氧剂。脱氧剂体由耐热钢或铸铁的框架构成，侧壁采用耐热钢板用碳化硅有粉末状与成型块两种。粉末状脱氧剂黑或铸铁板。框架有盒槽，以便在其中砌砖墙，而钢板碳化硅通常有4～0.5mm和0.5～0.1mm两种粒铸铁板均有孔，有助于气体的排出。炉子长7～17度。电工用碳化硅有两种主要类别：(1)电热元件用m，宽1.8～4m，高1.7～3m，炉子上面是敞开的。绿碳化硅，其本质与磨料用绿碳化硅完全一样。(2)在炉子的两端炉墙上有导电电极，电极采用矩形石避雷器用碳化硅，其电性能要求特殊，不同于磨料用墨块砌成，其一端穿过炉墙伸人炉墙内侧。电流通耐火材料用黑碳化硅过导电电极导入炉芯。

        碳化硅的性质 碳化硅的一些主要性质列于表1、表2、表3。

        多用于硬质合金、钛合金、光学玻璃的磨削，同时也用于缸套的珩磨及高速钢刀具的精磨。立方碳化硅磨具专用于微型轴承的超精磨。用电镀方法将碳化硅微粉涂敷于水轮机叶轮上，可大大提高叶轮的耐磨性；用机械压力将立方体SiC200号磨粉与W28微粉压人内燃机的汽缸壁上，可延长缸体寿命一倍以上。

        在电气工业中，碳化硅可用做避雷器阀体、硅碳电热元件、远红外线发生器等。在电子工业中，如在工业碳化硅炉内或在工业炉上用特殊方法培育出来大片完整的碳化硅单晶体，可作为发光二极管(如晶体灯、数字管灯)的基片；高纯碳化硅晶体是制作耐辐射高温半导体的优质材料。碳化硅是少数禁带宽度大(2.86eV)且具有P及n两种导电类型的半导体材料之一。

        在航天工业中，用碳化硅制造的燃气滤片、燃烧室喷嘴已用于火箭技术中。已经实现工业化生产的碳化硅纤维，是一种新型高强度、高模量材料，具有优异的耐热性和耐氧化性，与金属、树脂有良好的相容性。使用温度可达1200℃，高温下强度保持率可达80％以上。可用以制作热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高温气体或熔融金属的滤布，也可与炭纤维或玻璃纤维复合用做增强金属和陶瓷的增强材料。

        低品位的碳化硅可用做炼钢脱氧剂及铸铁添加剂。中国炭紊行业石墨化炉上的碳化硅副产品也已开始回收利用，多数用以制作炼钢脱氧剂、耐火材料、炼制工业碳化硅的回炉料，也有的经过处理用于铺路建筑。一些国家用碳化硅做耐火材料的数量大于用做磨料。由于碳化硅的特殊性能，当制作某些耐火制品将其作为配料的组分，可以显著改善这些制品的性能，如导热性、抗热震性、机械强度以及抵抗某些金属与炉渣侵蚀的性能。碳化硅只能加人到与其不起反应的耐火材料的配料中，如加入到黏土质、高铝质、硅质、石墨质等制品的配料中。碳化硅与碱性耐火材料能起反应，因此不能加入。

        在炭素工业中，碳化硅主要用来生产炼铁高炉用砖，如石墨碳化硅、氮化硅结合的碳化硅砖等。随着炼铁高炉大型化和强化冶炼的出现，对耐火材料的要求更加苛刻，以延长高炉的寿命。一些国家已成功地将石墨碳化硅砖及氮化硅物结合的碳化硅砖

        耐热震、耐化学腐蚀、耐辐射和良好的导电性、导热用于砌筑高炉的炉身、炉腰、炉腹和炉底最低层。在中国，绿碳化硅主要用做磨料。黑碳化碳硅反应，生产各种硅化石墨制品。它耐高温、抗热硅用于制造磨具，多用于切割和研磨抗张强度低的震、耐腐蚀、气体渗透率低，用来制作化工机械密封材料，如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等，同时也用于铸件、径向轴承，制作熔炼有色金属时测量铁、铜、锌等}铁零件和有色金属材料的磨削。绿碳化硅制成的磨金属熔液温度的侵入式热电偶保温装置等。

        在石墨电极生产中，碳化硅细粉还用做耐氧化涂层电极的涂层耐火烧结料的配料中，以增加涂层对温度急剧变化的承受能力。

        在特种炭素材料——生物炭的制造中，常以丙烷和三氯甲基硅烷为气体原料，经高温热解反应，在石墨基体上沉积生成含硅热解炭涂层，以增加制品的硬度、强度和耐磨性。涂层中的碳化硅以psiC的晶型存在，晶粒尺寸为lp_rn左右。用此法制造的生物炭制品如含硅热解炭人造心脏瓣膜等，具有很好的生物相容性。