碳化硅
时间:2007-04-03 03:06 来源: 作者:张劲辉 点击:次 所属专题: 碳化硅
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硅是碳的同族元素,利用硅有规律地替代金刚石中的碳原子,使它们的组成比为SiC,就变成了碳化硅。由于硅原子比碳原子的体积大,所以碳化硅的晶格虽然保持着金刚石晶格的形式,但是稍有变形。根据现在的统计,碳化硅的结构竟有近百种之多!
自然界没有碳化硅的矿床,只在亚里桑那陨铁中发现过碳硅石。这个事实是否表示在地心中存在有这种化合物还尚无定论。目前工业上用的碳化硅都是人工合成的。将石英砂和焦炭在电弧炉中加热到2000℃左右,发生碳对二氧化硅的还原反应(SiO2+3C = 2CO+SiC)后,就得到了SiC。碳化硅的硬度在莫氏硬度标准中仅低于金刚石,俗称金刚砂。金相砂纸、砂轮上起磨削作用的晶莹的“砂粒”,就是由尺寸不同的碳化硅粉粘附在基体上后做成的。
其实只看到碳化硅的硬度,只想到它可以做磨料,就未免有点“不识庐山真面目”了。碳化硅还是一种半导体材料,这点从它的“母体”——金刚石和单晶硅的半导体性质,就不难想到。现在发现,由主族元素(个别副族元素)形成的二元化合物中,当两种元素的外层电子数之和为8时,大多数具有金刚石型的晶体结构,而且都具有半导体性质,例如 GaAs, ZnS,Agl等等。根据这个规律,碳化硅具有半导体性质应早在意料之中了。
碳化硅的一个重要用途是做电热元件,它是由金刚砂、单质硅、甘油在二氧化碳或氮气中加热至1500℃后做成的,具有很高的机械强度、化学稳定性和良好的导电性。
碳化硅经处理后,可以做成宽频发光器件。虽然目前的发光效率还只有0.001%,但经不断改进后仍有广阔的应用前景。
近年来在高科技的需求推动下,碳化硅的应用和它的形态研究也有了长足的发展。其中以碳化硅晶须和碳化硅陶瓷最为典型,下面分别进行介绍。
碳化硅晶须
顾名思义,这是一种类似于胡须状的碳化硅单晶短纤维。它是目前各种晶须中强度最高的一种,并具有高模量、耐腐蚀、耐高温、相对密度小等特点。
现代工业生产碳化硅晶须的代表性工艺流程为:将碳粉和二氧化硅按一定配比混合,添加适量催化剂和赋形剂,在坩埚内加热至1450℃~1600℃,即可制成碳化硅晶须。常用催化剂为过渡金属及其氧化物。
所得到的碳化硅晶须,直径只有0.3~1.3μm,长度不过5~45μm,密度为3.2 g/cm3。它在空气中虽只耐600℃温度,但在惰性气氛或陶瓷材料中却可以经受 1600℃的高温,这个温度早已高过钢铁所能承受的极限了。
读者由上面所介绍的有关碳化硅及其晶须的特点,可能已经想到,它可能会在航空航天器和汽车制造工业中找到自己的用途。除此以外,用碳化硅晶须增强氧化铝复合陶瓷车刀,已成功地用于高温合金等难加工材料的切削;用碳化硅晶须制成的薄层材料,还可以用来制造耐酸和耐高温的过滤材料。
利用某一种材料的长处,用另一种或多种其他材料来弥补其短处,从而形成复合材料,是人所共知的办法。用合成纤维和天然纤维按一定比例织成的混纺材料,不仅弥补了单一材料固有的缺点,而且大大增加了纺织面料的花色品种。同样的做法,在塑料、合金中都可以找到。所以为了适应高新技术提出的、有时看来是极苛刻的要求,人们依然寄希望于多种功能成分的复合。
例如氮化硅是一种强度很高、硬度很大和抗化学腐蚀性很好的材料,但是断裂韧性却不高,往其中加入碳化硅晶须后形成碳化硅晶须补强材料后,较好地解决了这个问题。这一方法已在耐温度达1350 ℃以上的燃气轮涡轮转子和涡轮定叶片制造中得到应用。
碳化硅陶瓷
和晶须不同,陶瓷是一块整体材料,因此和用陶土、瓷土制陶器、瓷器一样,有一个烧结的过程。例如,用亚微米级碳化硅粉,添加碳化硼、氧化铝等在加压条件下烧至1950℃~2100℃左右成形,就可得到高致密碳化硅陶瓷。碳化硅陶瓷在常温性能和高温性能方面,都是现有陶瓷材料中的上品,表7.2是它的部分用途的介绍。
表7.2 碳化硅陶瓷的用途
领域 |
使用环境 |
用途 |
主要优点 |
石油工业 |
高温,高压(液)研磨性物质 |
喷嘴,轴承密封,阀片 |
耐磨耐热 |
微电子工业 |
大功率散热 |
封装材料,基片 |
热导率高,绝缘性好 |
飞机,宇宙火箭 |
|
涡轮叶片,燃气轮机叶片,火箭喷嘴 |
低惯性负荷,耐热冲击压 |
激光 |
大功率,高温 |
反射屏 |
刚度高,稳定性好 |
原子能 |
含硼高温水 |
密封,轴套 |
耐放射性 |
化学工业 |
强酸,强碱,高温含氧化剂 |
密封,轴承,泵体部件,热交换器 |
耐磨损性,耐腐蚀性,气密性好,高温耐腐蚀性 |
由以上简略的介绍,读者可能会同样地感到,用贱如砂土和煤炭一类的材料,经过化学家的一番化学加工,再经过材料学家的精心设计,就可以做成性能优良的高科技产品,身价骤增千百倍,而且在某些时候,已成为难以替代的首选材料,真有“点石成金”之妙!不过,我们通过这些更应该深刻体会的,却是那块能够点石成金的“哲人石”,那块我们的祖先们梦寐以求的“哲人石”,它就是科学技术和掌握科学技术的人。
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- (1234582229) 评论 碳化硅:哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈