碳化硅(SiC)，又稱金剛砂。碳化硅由于化學性能穩(wěn)定、導熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途。此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石(10級)，具有優(yōu)良的導熱性能，是一種半導體，高溫時能抗氧化。

(一)碳化硅的合成和用途

碳化硅的合成是在一種特殊的電阻爐中進行的，這個爐子實際上就只是一根石墨電阻發(fā)熱體，它是用石墨顆?；蛱剂６逊e成柱狀而成的。這根發(fā)熱體放在中間，上述原料按硅石52%~54%，焦炭35%，木屑11%，工業(yè)鹽1.5%~4%的比例均勻混合，緊密地充填在石墨發(fā)熱體的四周。當通電加熱后，混合物就進行化學反應，生成碳化硅。其反應式為：

SiO2+3C→SiC+2CO↑

反應的開始溫度約在1400℃，產物為低溫型的β-SiC，基結晶非常細小，它可以穩(wěn)定到2100℃，此后慢慢向高溫型的α-SiC轉化。α-SiC可以穩(wěn)定到2400℃而不發(fā)生顯著的分解，至2600℃以上時升華分解，揮發(fā)出硅蒸氣，殘留下石墨。所以一般選擇反應的最終溫度為1900~2200℃。反應合成的產物為塊狀結晶聚合體，需粉碎成不同粒度的顆?；蚍哿?，同時除去其中的雜質。

有時為獲取高純度的碳化硅，則可以用氣相沉積的方法，即用四氯化硅與苯和氫的混合蒸氣，通過熾熱的石墨棒時，發(fā)生氣相反應，生成的碳化硅就沉積在石墨表面。其反應式為：

6SiCl4+C6H6+12H2→6SiC+24HCl

純凈的碳化硅是無色透明的，但工業(yè)生產的碳化硅由于其中存在游離碳、鐵、硅等雜質，產品有黃、黑、墨綠、淺綠等不同色澤，常見的為淺綠和黑色。碳化硅的相對分子質量為40.09,其中硅占70.04%，碳占29.964。真密度3.21。熔點(升華)2600℃。晶型有低溫形態(tài)的β-SiC呈立方結構;高溫形態(tài)的α-SiC呈六方結構;以及由于碳化硅晶體結構中的原子排列情況的不同而有其他一系列的變形體，約有百余種，通稱同質異晶。此外，結晶結構中由于電子親合力的不同，除主要的共價鍵外，尚有部分離子鍵存在。碳化硅是一種硬質材料，莫氏硬度達9.2。在低溫下，碳化硅的化學性質比較穩(wěn)定，耐腐蝕性能優(yōu)良，在煮沸的鹽酸、硫酸和氫氟酸中也不受侵蝕。但在高溫下可與某些金屬、鹽類、氣體發(fā)生反應，反應情況列于表10-4-16。碳化硅在還原性氣氛中直至2600℃仍然穩(wěn)定，在高溫氧化氣氛中則會發(fā)生氧化作用：

SiC+2O2→SiO2+CO2

但它在800~1140℃之間的抗氧化能力反而不如1300~1500℃的，這是因為在800~1140℃氧化生成的氧化膜(SiO2)的結構較疏松，起不到充分保護底材的作用，而在1140℃以上，尤其在1300~1500℃之間，氧化作用顯著，此時生成的氧化層薄膜覆蓋在碳化硅基體的表面，阻礙了氧對碳化硅的進一步接觸，所以抗氧化能力反而加強。但到更高溫度時，其氧化保護層被破壞，使碳化硅遭受強烈氧化而分解破壞。

表1SiC與某些物質的反應性

由于碳化硅具有優(yōu)良的物理化學性能，因此作為重要的工業(yè)原料而得到廣泛的應用。它的主要用途有三個方面：用于制造磨料磨具;用于制造電阻發(fā)熱元件———硅碳棒、硅碳管等;用于制造耐火材料制品。作為特種耐火材料，它在鋼鐵冶煉中用作高爐、化鐵爐等沖壓、腐蝕、磨損厲害部位的耐火制品;在有色金屬(鋅、鋁、銅)冶煉中作冶煉爐爐襯、熔融金屬的輸送管道、過濾器、坩堝等;在空間技術上用作火箭發(fā)動機尾噴管、高溫燃氣透平葉片;在硅酸鹽工業(yè)中，大量用作各種窯爐的棚板、馬弗爐爐襯、匣缽;在化學工業(yè)中，用作油氣發(fā)生、石油氣化器、脫硫爐爐襯等。

(二)制品制造工藝

單純用α-SiC制造制品，由于其硬度較大，將其磨成微米級細粉相當困難，而且顆粒呈板狀或針狀，用它壓成的坯體，即使在加熱到它的分解溫度附近，也不會發(fā)生明顯的收縮，難以燒結，制品的致密化程度低，抗氧化能力也差。因此，在工業(yè)生產制品時，在α-SiC中加入少量的顆粒呈球形的β-SiC細粉和采用添加物的辦法來獲得致密制品。作為制品結合劑的添加物，按種類可分為氧化物、氮化物、石墨等多種，如粘土、氧化鋁、鋯英石、莫來石、石灰、玻璃、氮化硅、氧氮化硅、石墨等。成型粘結劑溶液可用羧甲基纖維素、聚乙烯醇、木質素、淀粉、氧化鋁溶膠、二氧化硅溶膠等其中的一種或幾種。

依據(jù)添加物的種類和加入量的不同，坯體的燒成溫度也不同，其溫度范圍在1400~2300℃。例如，粒度大于44μm的α-SiC70%，粒度小于10μm的β-SiC20%，粘土10%，外加4.5%的木質素水溶液8%，均勻混合后，用50MPa的壓力成型，在空氣中1400℃4h燒成，制品的體積密度為2.53g/cm3,顯氣孔率12.3%，抗折強度30~33MPa。幾種不同添加物的制品的燒結性能列于表2。

一般來說，碳化硅耐火材料具有多方面的優(yōu)良性能，例如，在比較寬的溫度范圍內具有高的強度、高的抗熱震性、優(yōu)良的耐磨性能、高的熱導率、耐化學腐蝕性等。不過，也應看到，它的弱點是抗氧化能力差，由此而造成高溫下體積脹大、變形等降低了使用壽命。

為了提高碳化硅耐火材料的抗氧化性能，在結合劑方面做了不少的選擇工作。最初使用粘土(包括氧化物)結合，但并未能起到保護作用，碳化硅顆粒仍然受到氧化和侵蝕。50年代末，選擇用氮化硅(Si3N4)結合，作為碳化硅耐火材料的改進產品，確實具有很好的抗氧化性(見圖1)，且無顯著的膨脹現(xiàn)象。但是價格較貴;加之在反復加熱冷卻時有突然破壞的可能;而氮化硅本身的網絡結構帶有滲透性，不能從根本上保護碳化硅不被氧化。60年代初，又出現(xiàn)了用氧氮化硅(Si2ON2)結合的碳化硅耐火材料，比之氮化硅結合具有更好的抗氧化性能，因為氧氮化硅粘附于碳化硅表面的氧化硅薄膜，并與其反應形成和碳化硅牢固結合的連續(xù)保護膜。同時，這種材料的價格適當，相當于用氧化物結合的碳化硅材料。

表2不同添加物的SiC制品的性能

除了用燒結法制造碳化硅制品以外，自從發(fā)明了熱壓燒結技術以后，碳化硅制品也可以用熱壓法制造，并且可以獲得更優(yōu)良的燒結性能。熱壓工藝是把坯料的成型和燒成結合為一個過程，即坯料在高溫同時又在壓力下一次成型并燒結。這種方法在冶金工業(yè)中用于粉末冶金已有數(shù)十年的歷史，在特種耐火材料工業(yè)生產中已經逐步推廣應用。采用熱壓成型燒結，可以縮短制造時間，降低燒結溫度，改善制品的顯微結構，增加制品的致密度，提高材料的性能。選擇適當?shù)臏囟?、壓力和坯料粒度等熱壓工藝條件，就可達到優(yōu)良的熱壓效果。熱壓工藝對難熔化合物的制造特別有用。熱壓用的模具因為既要經受1000℃以上的高溫，并且還要在高溫下承受數(shù)kN的壓力，因此，對制造難熔化合物制品一般均用高強度石墨作模具。

對模具的加熱可以用輻射加熱、高頻感應加熱或模具自身電阻加熱。對坯料的加壓可用油壓機或普通的千斤頂。熱壓法的最大缺點是制品形狀受到限制，且制造效率低，所以此法不如反應燒結法應用的廣泛。但是熱壓制品的性能要好得多。例如，在1350℃的溫度下，用70~90MPa的壓力進行熱壓，如果原料是高溫型的α-SiC，則密度不超過理論值的96%;如果使用低溫型的β-SiC，則熱壓密度可以達到3.20g/cm3，接近于理論值，并在燒結過程中轉變?yōu)楦邷匦偷摩?SiC。這種熱壓燒結體的強度，在常溫時為380MPa，在1370℃時為500MPa?？篃嵴鹦砸蚕喈敽茫以诮粶乜諝庵锌寡趸砸埠芎?。

由于碳化硅自身的優(yōu)異性，在用途方面也比較廣泛，總結來說的話，碳化硅的用途主要體現(xiàn)在四大領域的五大用途。而相對應的四大領域分別是：高級奶壺耐火材料、功能陶瓷、冶金原料和磨料。而現(xiàn)在各種高科技產品的快速更新?lián)Q代，也使得碳化硅出現(xiàn)供不應求的局面，而技術含量極高的納米碳化硅粉也在短時間內形成規(guī)模經濟。