碳化硅

04RKSilicon carbide金剛砂耐火砂碳化硅晶須 Silicon carbide fibreCSi40.10

目錄: 1、物理性質; 2、作用與用途; 3、性質與穩定性; 4、合成方法; 5、貯存方法; 6、毒理學數據; 7、生態學數據; 8、計算化學數據; 9、安全信息; 10、分子結構數據

物理性質

性狀：綠色至藍黑色結晶性粉末.含雜質的碳化硅為綠色，固溶有炭和金屬氧化物雜質呈黑色。
密度（g/mL,25/4℃）：3.25
熔點（oC）：2830
溶解性：溶于熔融的堿類和鐵水，不溶于水、乙醇和酸。

作用與用途

1.碳化硅纖維拉伸強度大。彈性模數大。在空氣中能耐高溫，而碳纖維只能耐400 ℃以上的溫度。耐藥品性能優良。與金屬組成復合材料時不需表面處理，而碳纖維必須進行表面處理。相對密度小，僅為2.55。是連續纖維，可以加工成織物，編織袋，絕緣紙、纜繩等各種形態織物。碳化硅有低的導電率，有良好的電波透過性。2.比金剛石、立方氮化硼等幾種物質稍低。碳化硅的熱導率很高，大約為氮化硅的2倍；其熱膨脹系數約為三氧化二鋁的一半；抗彎強度接近氮化硅材料，但斷裂韌性比氮化硅小。不溶于水和一般的酸。其化學穩定性好，具有化學惰性。不與氫氟酸、硝酸的混酸反應；與熔融的堿金屬接觸會慢慢分解成碳酸鹽和硅酸鹽；加熱則與重鉻酸鉀、鉻酸鉛的混合物發生反應。具有優異的高溫強度和抗高溫蠕變能力，熱壓碳化硅材料在1600℃的高溫抗彎強度和室溫基本相同。
3.工作人員應作好防護。最大允許濃度10mg/m3。碳化硅極硬，莫氏硬度為13。因為它是邊分解邊熔融，實際熔點大概在2200℃左右。高純單晶是透明的結晶。其晶體結構是以立方晶系的β型和六方晶系或斜方晶系的α型為代表。實際上多達130種，具有多種形狀。

性質與穩定性

1. 硬度很大，大約是莫氏9度。磨碎以后，可作研磨粉，可制擦光紙，又可制磨輪和砥石的摩擦表面。
2.磨料。耐高溫材料。制造高純度單晶、半導體。用于肥皂增效劑和防止條皂油脂析出和起霜。對潤滑油和脂肪有強烈的乳化作用，可用于調節緩沖皂液的ｐH值。工業用水的軟水劑。制革預鞣劑。染色助劑。油漆、高嶺土、氧化鎂、碳酸鈣等工業中配制懸浮液時作分散劑。鉆井泥漿分散劑。造紙工業用作防油污劑。
3.用作樹脂、金屬等復合材料的補強纖維，亦可作電波吸收材料及耐熱材料。
4.它具有相當好的抗高溫性能和很高強度。主要用于需要高溫高強應用材質的增韌場合。在國防和航空領域中用于發動機燃燒器、高性能雷達材料和紅外線整流罩、直升機和噴氣機零件、高溫電力輔助構件等；在電子工業中用于高性能多層集成塊封裝、多層電容器；在汽車工業用于催化劑轉化器、駕駛系統零部件、閥門及閥門座；在化工工業可與熱塑性、熱固化性樹脂構成復合材料，顯著提高塑料的強度、熱傳導性和耐磨耗性能等。在PEEK中添加15％的碳化硅晶須，熱傳導性大約提高2倍，用20％的碳化硅強化的聚酰亞胺的拉伸強度在常溫下提高約2倍，在250℃的高溫下與常溫下未增強的效果相同。在環氧樹脂中添加15％的碳化硅時，磨耗量降低17％。此外，在陶瓷、環保、能源等領域也有廣泛的應用。
5.用作樹脂、金屬、陶瓷等復合材料的補強纖維及電波吸收材料。也用作宇宙、航天能源方面的材料。
6.高密度燒結體用原料，耐高溫結構材料、耐腐蝕、耐磨材料用原料。毒性與防護允許濃度10mg/m³。

合成方法

由砂與適量的碳放在電爐中加熱而得。

圖XIV-8 Lely電爐

A-石墨圓筒;B-絕熱區;C-石墨棒;D-石墨發熱體;E-單晶成長坩堝;F-測溫用觀察縫;G-測溫窗

二氧化硅碳化還原法把平均粒徑0.01 μm的二氧化硅粉末1份(重量份，以下同)與平均粒徑0.05 μm的炭粉末2份及平均粒徑0.1 μm以下的微細結晶性β型碳化硅粉末0.04份混合，然后放入石墨容器中，在氬氣流下(流量：2 L/min)，在1600℃反應5h，再將反應生成物在空氣中，在700 ℃加熱2h，以除去殘留的炭，制得β型碳化硅粉末產品。其反應式如下：

SiO2+3CSiC+2CO

碳化硅纖維的起始原料是沸點為70 ℃的液體二甲基二氯硅烷。將其與金屬鈉作用。在比鈉沸點高的惰性有機溶劑中，熔融狀態的鈉被分散，在其中滴下二甲基二氯硅烷，脫鹽酸反應的同時生成聚硅烷。將聚硅烷在惰性氣氛中加熱到400 ℃以上時，發生熱轉移反應和聚合反應，生成中間產物聚碳硅烷。將其熔融紡絲成纖維。得到的聚碳硅烷纖維在煅燒工序進行高溫處理，由于空氣中的氧而發生架橋反應，通常在氮氣氛中進行熱處理，在溫度為1200～1500℃制得強度高的碳化硅纖維。

圖XIV-9 氣相反應合成裝置

A-氫氣入口;B-氫提純裝置;C-流量計;D-恒溫浴;E-測溫用棱鏡;F-氣體出口;G-石英玻璃管;H-基材;I-高周波感應線圈;J-基材架;K-石英玻璃管

2.在內部具備間壁的石墨坩堝里，放置原料碳化硅。用以石墨為發熱體的Lely電爐(如圖)，將坩堝加熱至2200～2600℃，使原料SiC在坩堝低溫部分升華，即制得高純碳化硅。該法可制得較大型的α型碳化硅，缺點是容易包含細微炭粒。

3.利用上述以石墨作電阻的Lely電爐加熱，在石墨坩堝中使碳溶解在熔融的硅里，利用溫度差可使碳化硅單晶析出。與前法相比，可以較低的溫度(約1500℃)析出結晶，這主要適合于β型碳化硅的合成。此法雖不包裹前法那樣的炭粒，但是由于是在硅過量的情況下合成的，所以在結晶成長過程中，硅溶液容易滲進內部，此為該法缺點。

4.以四氯化硅、四氯化碳及氫氣為原料，把混合氣體送到感應加熱的供結晶生長用基材上，使之反應。與此同時，使碳化硅結晶在基材上析出。根據反應氣的濃度比，結晶生長溫度，輸送氣體的流速，結晶生長用基材種類等條件的不同，其析出的結晶形狀有所改變。當SiCl4/CCl4=1.4～1.8(摩爾比)，結晶生長溫度1400～1500℃，氫氣流速120cm/min以下的場合，得到須狀結晶。超過這個范圍則生成粒狀結晶或在基材表面形成薄層(圖)。

圖氣相反應合成裝置

A—氫氣入口;B—氫提純裝置;C—流量計;D—恒溫浴;E—測溫用棱鏡;

F—氣體出口;G—石英玻璃管;H—基材;I—高周波感應線圈;

J—基材架;K—石英玻璃管

該法的優點是可在較低溫度下得到碳化硅結晶。

采用活性碳纖維法。將活性碳纖維和二氧化硅在真空中于1300℃反應1～3h，其反應過程是使二氧化硅在活性碳纖維細孔內反應，使其生成碳化硅，將碳化硅在氮氣中并于1600℃下進行加熱處理，即得碳化硅纖維。

5.采用硅石還原法。將高純二氧化硅石和石油焦混合，做成10mm以下粒狀，放入間接式電阻爐中，通電10～30h，在1800～1900℃反應，超過2000℃會使反應生成的SiC分解。通電完成后即反應完全，放冷，將生成的碳化硅破碎、粉碎、水洗，得到粒狀產品。

貯存方法

本品應貯藏于陰涼、干燥、通風的庫房內，不可與無機酸、堿共貯共運。

毒理學數據

吸入碳化硅粉塵會沉積于肺部，導致肺病。

生態學數據

其它有害作用：該物質對環境可能有危害，對水體應給予特別注意。

計算化學數據

1、疏水參數計算參考值（XlogP）：
2、氫鍵供體數量：0
3、氫鍵受體數量：1
4、可旋轉化學鍵數量：0
5、互變異構體數量：
6、拓撲分子極性表面積（TPSA）：0
7、重原子數量：2
8、表面電荷：0
9、復雜度：10
10、同位素原子數量：0
11、確定原子立構中心數量：0
12、不確定原子立構中心數量：0
13、確定化學鍵立構中心數量：0
14、不確定化學鍵立構中心數量：0
15、共價鍵單元數量：1