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碳化硅的合成研究进展
摘要:SiC材料是第三代半导体材料,广泛运用于军事、航空等领域,
这与碳化硅的性质息息相关。正因为其运用,国外限制该产品的出口。最
早发现碳化硅是在陨石里,大自然给我们带来了宝贝,后来随着人们对其
的研究,碳化硅的作用慢慢被发掘,自然界碳化硅的含量本来就很少,从
天然提取的碳化硅的量已经远远不能满足我们的需求。碳化硅的运用前景
那么好,人们开始用化学的方法来合成自己需要的多余的部分。这样,碳
化硅的合成方法的研究也就越来越吸引关注,很多人都致力于此项研究工
作,其中以碳热还原法为主,其反应条件等都已经研究得比较成功,这才
使得碳化硅的合成工艺与技术比较成熟,但改进和提升空间还很大,特别
在我国远远没有达到绿色、低碳、节能的要求。以下介绍了碳热还原发的
几种研究进展。
关键词:碳化硅/SiC;用途;合成;碳热还原法;二氧化硅/SiO2。
正文: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,其用途也就很多:(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;(3)高纯度的单晶,
可用于制造半导体、制造碳化硅纤维。在化工一方面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。
另一方面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;还可以制作火箭喷
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。碳化硅按其纯度可分为黑碳化硅和绿碳化硅,黑碳
化硅,金属光泽,含碳化硅95%以上,强度比绿碳化硅大,但硬度较低,主
1
要用于磨铸铁和非金属材料;绿绿碳化硅,含碳化硅97%以上,主要用于
磨硬质合金工具。鉴于碳化硅有那么多用途,碳化硅的合成越来越受到各
国的重视,都致力于研究最简单高效的合成方法。
碳化硅的合成方法主要是碳热还原法:碳热还原法合成SiC的主要原
料是SiO2和C总反应方程式如下:SiO2(s)+3C(s)→SiC(s)+2CO(g)。
Guterl等[4]认为反应分两步进行先是固态SiO2和固态C反应生成气态
SiO和CO,接着气态SiO再和固态C反应生成固态SiC和气态CO。其反应
方程式如下:SiO2(s)+C(s)→SiO(g)+CO(g),SiO(g,l)+2C(s)→
SiC(s)+CO(g)。碳热还原法是制备碳化硅的主要的思想方法,长期以来工
业合成SiC一直采用石英砂和石油焦炭为原料。
以下是碳化硅合成研究的进展:1、铁矿石尾矿合成碳化硅粉末。实验
过程:主要原料是鞍山钢铁集团公司产铁尾矿主要成分质量分数为SiO2
68.32%、Fe2O326.53%、CaO0.72%、Al2O30.35%、MgO0.95%、MnO0.096、
TiO20.03%。用振动制样机将铁尾矿破碎细磨至75μm采用抚顺石油公
司产碳黑3040nm做还原剂其固定碳质量分数为95.44%按C和SiO2摩尔
比为4进行配料。将配制好的混合料置于聚氨酯球磨罐中以无水乙醇为介
质湿混24h,然后将料浆放入烘箱中于60烘干待混合料充分干燥后再干
混4h以确保混合料充分均匀称,取一定量坯料放入钢模中机压制成15mm
×5mm的圆坯,将素坯装入石墨坩埚中置于立式MoSi2电阻炉恒温区中,
由炉底连续通入氩气常压下进行合成反应合成温度为1200℃~1500℃,恒
温时间0~14h,Ar流量80mL/min,采用XMTA–1型温控仪上海亚太精
密仪表厂进行控温,升温速度约5/min降温速度约4/min;即可合成后
的样品。
2、一
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