漬碳碳化矽

漬碳碳化矽用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產綠色碳化矽時需要加食鹽)等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。漬碳碳化矽在大自然也存在罕見的礦物,莫桑石。在當代C、N、B等非氧化物高技術耐火原料中,漬碳碳化矽為套用最廣泛、最經濟的一種,可以稱為金鋼砂或耐火砂。

發展歷史

漬碳碳化矽是由美國人艾奇遜在1891年電熔金剛石實驗時,在實驗室偶然發現的一種碳化物,當時誤認為是金剛石的混合體,故取名金剛砂,1893年艾奇遜研究出來了工業冶煉漬碳碳化矽的方法,也就是大家常說的艾奇遜爐,一直沿用至今,以碳質材料為爐芯體的電阻爐,通電加熱石英SIO2和碳的混合物生成漬碳碳化矽。

關於漬碳碳化矽的幾個事件

1905年 第一次在隕石中發現漬碳碳化矽。

1907年 第一隻漬碳碳化矽晶體發光二極體誕生。

1955年 理論和技術上重大突破,LELY提出生長高品質碳化概念,從此將SiC作為重要的電子材料。

1958年 在波士頓召開第一次世界漬碳碳化矽會議進行學術交流。

1978年 六、七十年代漬碳碳化矽主要由前蘇聯進行研究。到1978年首次採用“LELY改進技術”的晶粒提純生長方法。

1987年~至今以CREE的研究成果建立漬碳碳化矽生產線,供應商開始提供商品化的漬碳碳化矽基。

製作工藝

由於天然含量甚少,漬碳碳化矽主要多為人造。常見的方法是將石英砂與焦炭混合,利用其中的二氧化矽和石油焦,加入食鹽和木屑,置入電爐中,加熱到2000°C左右高溫,經過各種化學工藝流程後得到漬碳碳化矽微粉。

漬碳碳化矽(SiC)因其很大的硬度而成為一種重要的磨料,但其套用範圍卻超過一般的磨料。例如,它所具有的耐高溫性、導熱性而成為隧道窯或梭式窯的首選窯具材料之一,它所具有的導電性使其成為一種重要的電加熱元件等。製備SiC製品首先要製備SiC冶煉塊[或稱:SiC顆粒料,因含有C且超硬,因此SiC顆粒料曾被稱為:金剛砂。但要注意:它與天然金剛砂(也稱:石榴子石)的成分不同。在工業生產中,SiC冶煉塊通常以石英、石油焦等為原料,輔助回收料、乏料,經過粉磨等工序調配成為配比合理與粒度合適的爐料(為了調節爐料的透氣性需要加入適量的木屑,製備綠漬碳碳化矽時還要添加適量食鹽)經高溫製備而成。高溫製備SiC冶煉塊的熱工設備是專用的漬碳碳化矽電爐,其結構由爐底、內面鑲有電極的端牆、可卸式側牆、爐心體(全稱為:電爐中心的通電發熱體,一般用石墨粉或石油焦炭按一定的形狀與尺寸安裝在爐料中心,一般為圓形或矩形。其兩端與電極相連)等組成。該電爐所用的燒成方法俗稱:埋粉燒成。它一通電即為加熱開始,爐心體溫度約2500℃,甚至更高(2600~2700℃),爐料達到1450℃時開始合成SiC(但SiC主要是在≥1800℃時形成),且放出co。然而,≥2600℃時SiC會分解,但分解出的si又會與爐料中的C生成SiC。每組電爐配備一組變壓器,但生產時只對單一電爐供電,以便根據電負荷特性調節電壓來基本上保持恆功率,大功率電爐要加熱約24 h,停電後生成SiC的反應基本結束,再經過一段時間的冷卻就可以拆除側牆,然後逐步取出爐料。

高溫煅燒後的爐料從外到內分別是:未反應料(在爐中起保溫作用)、氧漬碳碳化矽羼(半反應料,主要成分是C與SiO。)、粘結物層(是粘結很緊的物料層,主要成分是C、SiO、40%~60%SiC以及Fe、Al、Ca、Mg的碳酸鹽)、無定形物層(主要成分是70%~90%SiC,而且是立方SiC即β-sic,其餘是C、SiO及Fe、Ca、Mg的碳酸鹽)、二級品SiC層(主要成分是90%~95%SiC,該層已生成六方SiC即口一SiC,但結晶體較小、很脆弱,不能作為磨料)、一級品SiC層(SiC含量<96%,而且是六方SiC即口一SiC的粗大結晶體)、爐芯體石墨。在上述各層料中,通常將未反應料和一部分氧漬碳碳化矽層料作為乏料收集,將氧漬碳碳化矽層的另一部分料與無定形物、二級品、部分粘結物一起收集為回爐料,而一些粘結很緊、塊度大、雜質多的粘結物則拋棄之。而一級品則經過分級、粗碎、細碎、化學處理、乾燥與篩分、磁選後就成為各種粒度的黑色或綠色的SiC顆粒。要製成漬碳碳化矽微粉還要經過水選過程;要做成漬碳碳化矽製品還要經過成型與結燒的過程。

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