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碳化硅_百度百科

发布日期:2020-11-07 18:13 作者:OPE体育

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  碳化硅又名碳硅石、金刚砂,是一种无机物,化学式为SiC,是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物,莫桑石。在C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中,碳化硅为应用最广泛、最经济的一种,可以称为金钢砂耐火砂。 中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种,均为六方晶体,比重为3.20~3.25,显微硬度为2840~3320kg/mm

  碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时,在实验室偶然发现的一种碳化物,当时误认为是金刚石的混合体,故取名金刚砂,1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法,也就是大家常说的艾奇逊炉,一直沿用至今,以碳质材料为炉芯体的电阻炉,通电加热石英SIO2和碳的混合物生成碳化硅。

  1955年 理论和技术上重大突破,LELY提出生长高品质碳化概念,从此将SiC作为重要的电子材料。

  1978年 六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。到1978年首次采用“LELY改进技术”的晶粒提纯生长方法。

  1987年~至今以CREE的研究成果建立碳化硅生产线,供应商开始提供商品化的碳化硅基。

  碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基本品种,都属α-SiC。①黑碳化硅含SiC约95%,其韧性高于绿碳化硅,大多用于加工抗张强度低的材料,如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。②绿碳化硅含SiC约97%以上,自锐性好,大多用欠奔汗于加工硬质合金钛合金光学玻璃,也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。此外还有立方碳化硅,它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体,用以制作的磨船朽趋连具适于轴承的超精加工,可使表面粗糙度从Ra32~0.16微米一次加工到Ra0.04~0.02微米。

  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,除作磨料用外,还有很多其他用途,例如:以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁,可提高其耐磨性而延长使用寿命脚殃邀1~2倍;用以制成的高级耐火材料,耐热震、体积小、重量轻而强度高,节能效果好。低品级碳化硅(含SiC约85%)是极好的脱氧剂,用它可加快炼钢速度,并便于控制化学成分,提高钢的质量。此外,碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。

  碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上最硬的金刚石(10级),具有优良的导热性能,是一种半导体,高温时能抗氧化。

  碳化硅至少有70种结晶型态。α-碳化硅为最常见的一种同质异晶物,在高于2000 °C高温下形成,具有六角晶系结晶构造(似纤维锌矿)。β-碳化硅,立方晶系结构,与钻石相似,则在低于2000 °C生成,结构如页面附图所示。虽然在异相触媒担体的应用上,因其具有比α型态更高之单位表面积而引人注目,而另一种碳化硅,μ-碳化硅最为稳定,且碰撞时有较为悦耳的声音,但直至今日,这两种型态尚未有商业上之应用。

  纯碳化硅为无色,而工业生产之棕至黑色系由于含铁之不纯物。晶体上彩虹般的光泽则是因为其表面产生之二氧化硅保护层所致。

  纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同,而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色,透明度随其纯度不同而异。

  由于天然含量甚少,碳化硅主要多为人造。常见的方法是将石英砂与焦炭混合,利用其中的二氧化硅和石油焦,加入食盐和木屑,置入电炉中,加热到2000°C左右高温,经过各种化学工艺流程后得到碳化硅微粉。

  碳化硅(SiC)因其很大的硬度而成为一种重要的磨料,但其应用范围却超过一般的磨料。例如,它所具有的耐高温性、导热性而成为隧道窑或梭式窑的首选窑具材料之一,它所具有的良陵导电性使其成为一种重要的电加热元件等。制备SiC制品首先要制备SiC冶炼块[或称:SiC颗粒料,因含有C且超硬,因此SiC颗粒照漏设料曾被称为:金刚砂。但要注意:它与天然金刚砂(也称:石榴子石)的成分不同。在工业生产中,SiC冶炼块通常以石英、石油焦等为原料,辅助回收料、乏料,经过粉磨等工序调配成为配比合理与粒度合适的炉料(为了调节炉料的透气性需要加入适量的木屑,制备绿碳化硅时还要添加适量食盐)经高温制备而成。高温制备SiC冶炼块的热工设备是专用的碳化硅电炉,其结构由炉底、内面镶有电极的端墙、可卸式侧墙、炉心体(全称为:电炉中心的通电发热体,一般用石墨粉或石油焦炭按一定的形状与尺寸安装在炉料中心,一般为圆形或矩形。其两端与电极相连)等组成。该电炉所用的烧成方法俗称:埋粉烧成。它一通电即为加热开始,炉心体温度约2500℃,甚至更高(2600~2700℃),炉料达到1450℃时开始合成SiC(但SiC主要是在≥1800℃时形成),且放出co。然而,≥2600℃时SiC会分解,但分解出的si又会与炉料中的C生成SiC。每组电炉配备一组变压器,但生产时只对单一电炉供电,以便根据电负荷特性调节电压来基本上保持恒功率,大功率电炉要加热约24 h,停电后生成SiC的反应基本结束,再经过一段时间的冷却就可以拆除侧墙,然后逐步取出炉料。

  高温煅烧后的炉料从外到内分别是:未反应料(在炉中起保温作用)、氧碳化硅羼(半反应料,主要成分是C与SiO。)、粘结物层(是粘结很紧的物料层,主要成分是C、SiO2、40%~60%SiC以及Fe、Al、Ca、Mg的碳酸盐)、无定形物层(主要成分是70%~90%SiC,而且是立方SiC即β-sic,其余是C、SiO

  及Fe、A1、Ca、Mg的碳酸盐)、二级品SiC层(主要成分是90%~95%SiC,该层已生成六方SiC即口一SiC,但结晶体较小、很脆弱,不能作为磨料)、一级品SiC层(SiC含量96%,而且是六方SiC即口一SiC的粗大结晶体)、炉芯体石墨。在上述各层料中,通常将未反应料和一部分氧碳化硅层料作为乏料收集,将氧碳化硅层的另一部分料与无定形物、二级品、部分粘结物一起收集为回炉料,而一些粘结很紧、块度大、杂质多的粘结物则抛弃之。而一级品则经过分级、粗碎、细碎、化学处理、干燥与筛分、磁选后就成为各种粒度的黑色或绿色的SiC颗粒。要制成碳化硅微粉还要经过水选过程;要做成碳化硅制品还要经过成型与结烧的过程。

  中国有碳化硅冶炼企业200多家,年生产能力220多万吨(其中:绿碳化硅块120多万吨,黑碳化硅块约100万吨)。冶炼变压器功率大多为6300~12500kVA,最大冶炼变压器为32000kVA。加工制砂、微粉生产企业300多家,年生产能力200多万吨。2012年,中国碳化硅产能利用率不足45%。约三分之一的冶炼企业有加工制砂微粉生产线。碳化硅加工制砂微粉生产企业主要分布在河南、山东、江苏、吉林、黑龙江等省。

  中国碳化硅冶炼生产工艺、技术装备和单吨能耗达到世界领先水平。黑、绿碳化硅原块的质量水平也属世界级。中国碳化硅与世界先进水平的差距主要集中在四个方面:一是在生产过程中很少使用大型机械设备,很多工序依靠人力完成,人均碳化硅产量较低;二是在碳化硅深加工产品上,对粒度砂和微粉产品的质量管理不够精细,产品质量的稳定性不够;三是某些尖端产品的性能指标与发达国家同类产品相比有一定差距;四是冶炼过程中一氧化碳直接排放。国外主要企业基本实现了封闭冶炼,而中国碳化硅冶炼几乎全部是开放式冶炼,一氧化碳全部直排。2012年,中国企业开发出了封闭冶炼技术,实现了一氧化碳全部回收,但是距离全行业普及还有很长的路要走。

  根据中国机床工业协会磨料磨具专委会碳化硅专家委员会的数据,截至2012年底,全球碳化硅产能达260万吨以上,产能达到1万吨以上的国家有13个,占全球总产能的98%。其中中国碳化硅产能达到220万吨,占全球总产能的84%。

  中国碳化硅冶炼企业主要分布在甘肃、宁夏、青海、新疆、四川等地,约占总产能85%。

  2012年在中国经济发展速度放缓的情况下,生产情况普遍不理想,加之光伏企业举步维艰,碳化硅作为耐材、磨料和光伏行业的基础原材料,出口和内销均大幅下滑。绿碳化硅微粉加工企业更是身陷光伏企业的债务链条,多数冶炼企业没有开工,或者短暂开工后即停产。

  2012年全年中国黑碳化硅产能没有正常释放,一方面是成交缓慢,库存消耗慢,占压资金量大,另一方面是下游行业消费商回款时间长,欠款现象严重,导致某些企业资金链紧张。

  2012年中国黑碳化硅的主产地为宁夏和甘肃,青海和新疆的原有产能逐渐被淘汰,加上湖北丹江口弘源的冶炼产能,共计76.9万吨, 2012年总产量约为34万吨,黑碳化硅冶炼企业的产能利用率约为44.5%。

  中国绿碳化硅冶炼的主产地是甘肃、青海、新疆和四川。四川主要靠水力发电站供电,受到枯水期电力短缺的影响,一年的生产时间只在4-10月份,最长能坚持6个月的生产,但四川的冶炼炉几乎没有正常开工,主要因为市场需求疲软,库存难以消耗。2012年前三季度,中国钢铁厂开工率较低,只有到10月份以后钢厂增加了开工率,对原料和耐火材料的消耗才略有增加,消耗了部分库存。

  据海关统计显示:2012年全年,中国碳化硅出口16.47万吨,同比下降23.83%,出口2.75亿美元,同比下降44.28%,出口平均价格1671.53美元/吨,同比下降26.84%。出口量价大幅度下降。全年领证量合计17.1万吨,占全年出口量的104%。生产的碳化硅主要的出口国家有美国、日本、韩国、及某些欧洲国家。

  从出口的20个省市分析,比2011年增加了一个新疆。出口数量在万吨以上的省市分别依次为宁夏、河南、江苏、北京、辽宁和山东,合计出口量11.8万吨,占出口总量的71.64%,市场份额分别为18.21%、12.99%、12.71%、11.4%、9.72%和6.61%,六个省市出口数量均呈下滑态势,其中宁夏同比下滑幅度最高,为32.62%;从出口单价看,同比下滑幅度最大的是辽宁,达35.3%,宁夏和江苏的单价同比下滑也高于全国平均数。

  中国碳化硅出口市场以亚洲和北美洲为主,出口份额分别占到全球出口份额的70.25%和23.76%,共出口到59个国别和地区,比2011年增加了6个。出口数量在千吨以上的国别和地区依次为日本、美国、韩国、台湾、泰国、新加坡、印度、土耳其、墨西哥和德国,这10个国家和地区的合计出口数量为15.26万吨,占出口总量的92.64%。其中位列前四名的国别和地区出口数量占比分别为30.55%、23.25%、15.5%和13.63%,四个国别和地区的出口量之和占出口总量的82.93%。除韩国出口数量同比增长85.5%外,土耳其和德国的数量同比增长引人注目,但主销国别和地区数量同比还是有较大程度下滑,其中对日本和美国的出口数量下滑幅度均达约40%。

  从出口 13个关别分析,天津港走货量高达9.16万吨,占出口总量的55.64%,仍位列第一;青岛、大连、南京和上海港分别占15.98%、13.14%、11.49%和3.08%,位列第二至五位,其中大连关出货量同比下滑幅度最高;以上5个关别出口量总和占出口总量的99.33%。

  从各月出口情况分析,出口量上半年逐月提高,下半年跳跃较大,但当月平均单价一降再降,第二季度全面跌破2000美元,三季度末止跌回稳,但只在9月站上了2000美元,便又在第四季度一路下滑,全年最低价格出现在11月,为1345.58美元/吨,比全年2月的最高价格下跌了42.1%。

  从出口的123家出口企业分析,出口数量在2000吨以上的企业有29家,这29家出口量之和为11.77万吨,占出口总量的71.4%;这29家主营企业除2家出口价格有所上升外,其他均有大幅下滑,单价降幅最高的达73.6%;出口数量在1000-2000吨位之间的企业有12家,出口量之和为1.6万吨,占比为9.79%;另有32家企业出口数量在100吨以下,32家出口量之和只占出口总量的0.27%。

  长白山脉、河南、河北石家庄灵寿县、青海、甘肃、宁夏、新疆、四川、哈尔滨、湖南、贵州、湖北丹江口等地。

  ①磨料级碳化硅技术条件按GB/T2480—96。各牌号的化学成分由表6-6-47和表6-6-48给出。

  ②磨料粒度及其组成、磨料粒度组成测定方法:按GB/T2481.2-2009。

  GB/T 9258.1-2000涂附磨具用磨料 粒度分析 第1部分:粒度组成

  GB/T 9258.2-2008涂附磨具用磨料 粒度分析 第2部分:粗磨粒P12~P220粒度组成的测定

  GB/T 9258.3-2000涂附磨具用磨料 粒度分析 第3部分:微粉P240~P2500粒度组成的测定

  碳化硅制品可以分为很多类,根据不同的使用环境,分为不同的种类。一般使用到机械上比较多。例如使用到机械密封件上,可以称为碳化硅密封环,可以分为静环、动环、平环等。也可以根据客户的特别要求,制作出各种形状的碳化硅制品,例如碳化硅异形件,碳化硅板,碳化硅环等。

  碳化硅的制品之一的碳化硅陶瓷具有的高硬度、高耐腐蚀性以及较高的高温强度等特点,这使得碳化硅陶瓷得到了广泛的应用。

  在应用在密封环上:碳化硅陶瓷的耐化学腐蚀性好、强度高、硬度高,耐磨性能好、摩擦系数小,且耐高温,因而是制造密封环的理想材料。它与石墨材料组合配对时,其摩擦系数比氧化铝陶瓷和硬质合金小,因而可用于高PV值,特别是输送强酸、强碱的工况中使用。我公司生产的SIC-1型碳化硅常压烧结制品,具有密度高、硬度高、生产批量大、可生产复杂形状制品的特点,适用于高性能的密封件中使用,特别是高 PV 值及耐强酸、强碱的工况。而我公司生产的SIC-3型碳化硅陶瓷制品是含石墨的碳化硅材料。由于在碳化硅基体中含有大量的弥散细小的石墨颗粒,与其它材料配对使用时,其摩擦系数非常小,具有良好的自润滑性能,特别适用于制作气密封或有干摩擦工况的密封件中使用,从而使密封件的使用寿命及工作的可靠性提高。

  碳化硅主要有四大应用领域,即:功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。碳化硅粗料已能大量供应,不能算高新技术产品,而技术含量极高 的纳米级碳化硅粉体的应用短时间不可能形成规模经济。

  主要用途:用于3—12英寸单晶硅、多晶硅、砷化钾、石英晶体等线切割。太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业工程性加工材料。

  用于半导体、避雷针、电路元件、高温应用、紫外光侦检器、结构材料、天文、碟刹离合器柴油微粒滤清器、细丝高温计、陶瓷薄膜、裁切工具、加热元件、核燃料、珠宝、钢、护具、触媒担体等领域。

  主要用于制作砂轮砂纸、砂带、油石、磨块、磨头、研磨膏及光伏产品中单晶硅、多晶硅和电子行业的压电晶体等方面的研磨、抛光等。

  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。

  利用碳化硅具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性,碳化硅一方面可用于各种冶炼炉衬、高温炉窑构件、碳化硅板、衬板、支撑件、匣钵、碳化硅坩埚等。

  另一方面可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;还可以制做火箭喷管、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。

  利用碳化硅具有耐高温,强度大,导热性能良好,抗冲击,作高温间接加热材料,如坚罐蒸馏炉,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。

  利用碳化硅的耐腐蚀,抗热冲击耐磨损,导热好的特点,用于大型高炉内衬提高了使用寿命。

  碳化硅硬度仅次于金刚石,具有较强的耐磨性能,是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器、矿斗内衬的理想材料,其耐磨性能是铸铁.橡胶使用寿命的5--20倍&def也是航空飞行跑道的理想材料之一。

  利用其导热系数、热辐射、高热强度大的特性,制造薄板窑具,不仅能减少窑具容量,还提高了窑炉的装容量和产品质量,缩短了生产周期,是陶瓷釉面烘烤烧结理想的间接材料。

  利用良好的导热和热稳定性,作热交换器,燃耗减少20%,节约燃料35%,使生产率提高20-30%,特别是矿山选厂用排放输送管道的内放,其耐磨程度是普通耐磨材料的6--7倍。

  磨料粒度及其组成按GB/T2477--83。磨料粒度组成测定方法按GB/T2481--83。

  合成碳化硅(Synthetic Moissanite)又名合成莫桑石、合成碳硅石(化学成分SiC),色散0.104比钻石(0.044)大,折射率2.65-2.69(钻石2.42),具有与钻石相同的金刚光泽,“火彩”更强,比以往任何仿制品更接近钻石。这是由美国北卡罗来那州的C3公司制造生产的,已拥有世界各国生产合成碳化硅的专利,正在向全世界推广应用。

  该品采用棕刚玉微粉经高强压力挤压,高温烧结成型,硬度适中,干净清洁,不易破碎.,反复多次使用,喷砂效果好。

  1、软硬兼备—采用优质材料生产而成,即有一定的机械强度,AL2O3含量大于等于68﹪,硬度可达6-7莫氏,又有足够的弹性,可反复使用数次,不易破碎,所喷器件效果相同,比普通金刚砂的使用寿命长3倍以上。

  2、均匀度好—成圆率大于等于80﹪,粒度均匀,喷后使喷砂器件各处亮度系数保持均匀,不易留下水印。奥凯磨料。


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