碳化硅

04RKSilicon carbide金刚砂耐火砂碳化硅晶须 Silicon carbide fibreCSi40.10

目录: 1、物理性质; 2、作用与用途; 3、性质与稳定性; 4、合成方法; 5、贮存方法; 6、毒理学数据; 7、生态学数据; 8、计算化学数据; 9、安全信息; 10、分子结构数据

物理性质

性状：绿色至蓝黑色结晶性粉末.含杂质的碳化硅为绿色，固溶有炭和金属氧化物杂质呈黑色。
密度（g/mL,25/4℃）：3.25
熔点（oC）：2830
溶解性：溶于熔融的碱类和铁水，不溶于水、乙醇和酸。

作用与用途

1.碳化硅纤维拉伸强度大。弹性模数大。在空气中能耐高温，而碳纤维只能耐400 ℃以上的温度。耐药品性能优良。与金属组成复合材料时不需表面处理，而碳纤维必须进行表面处理。相对密度小，仅为2.55。是连续纤维，可以加工成织物，编织袋，绝缘纸、缆绳等各种形态织物。碳化硅有低的导电率，有良好的电波透过性。2.比金刚石、立方氮化硼等几种物质稍低。碳化硅的热导率很高，大约为氮化硅的2倍；其热膨胀系数约为三氧化二铝的一半；抗弯强度接近氮化硅材料，但断裂韧性比氮化硅小。不溶于水和一般的酸。其化学稳定性好，具有化学惰性。不与氢氟酸、硝酸的混酸反应；与熔融的碱金属接触会慢慢分解成碳酸盐和硅酸盐；加热则与重铬酸钾、铬酸铅的混合物发生反应。具有优异的高温强度和抗高温蠕变能力，热压碳化硅材料在1600℃的高温抗弯强度和室温基本相同。
3.工作人员应作好防护。最大允许浓度10mg/m3。碳化硅极硬，莫氏硬度为13。因为它是边分解边熔融，实际熔点大概在2200℃左右。高纯单晶是透明的结晶。其晶体结构是以立方晶系的β型和六方晶系或斜方晶系的α型为代表。实际上多达130种，具有多种形状。

性质与稳定性

1. 硬度很大，大约是莫氏9度。磨碎以后，可作研磨粉，可制擦光纸，又可制磨轮和砥石的摩擦表面。
2.磨料。耐高温材料。制造高纯度单晶、半导体。用于肥皂增效剂和防止条皂油脂析出和起霜。对润滑油和脂肪有强烈的乳化作用，可用于调节缓冲皂液的ｐH值。工业用水的软水剂。制革预鞣剂。染色助剂。油漆、高岭土、氧化镁、碳酸钙等工业中配制悬浮液时作分散剂。钻井泥浆分散剂。造纸工业用作防油污剂。
3.用作树脂、金属等复合材料的补强纤维，亦可作电波吸收材料及耐热材料。
4.它具有相当好的抗高温性能和很高强度。主要用于需要高温高强应用材质的增韧场合。在国防和航空领域中用于发动机燃烧器、高性能雷达材料和红外线整流罩、直升机和喷气机零件、高温电力辅助构件等；在电子工业中用于高性能多层集成块封装、多层电容器；在汽车工业用于催化剂转化器、驾驶系统零部件、阀门及阀门座；在化工工业可与热塑性、热固化性树脂构成复合材料，显著提高塑料的强度、热传导性和耐磨耗性能等。在PEEK中添加15％的碳化硅晶须，热传导性大约提高2倍，用20％的碳化硅强化的聚酰亚胺的拉伸强度在常温下提高约2倍，在250℃的高温下与常温下未增强的效果相同。在环氧树脂中添加15％的碳化硅时，磨耗量降低17％。此外，在陶瓷、环保、能源等领域也有广泛的应用。
5.用作树脂、金属、陶瓷等复合材料的补强纤维及电波吸收材料。也用作宇宙、航天能源方面的材料。
6.高密度烧结体用原料，耐高温结构材料、耐腐蚀、耐磨材料用原料。毒性与防护允许浓度10mg/m³。

合成方法

由砂与适量的碳放在电炉中加热而得。

图XIV-8 Lely电炉

A-石墨圆筒;B-绝热区;C-石墨棒;D-石墨发热体;E-单晶成长坩埚;F-测温用观察缝;G-测温窗

二氧化硅碳化还原法把平均粒径0.01 μm的二氧化硅粉末1份(重量份，以下同)与平均粒径0.05 μm的炭粉末2份及平均粒径0.1 μm以下的微细结晶性β型碳化硅粉末0.04份混合，然后放入石墨容器中，在氩气流下(流量：2 L/min)，在1600℃反应5h，再将反应生成物在空气中，在700 ℃加热2h，以除去残留的炭，制得β型碳化硅粉末产品。其反应式如下：

SiO2+3CSiC+2CO

碳化硅纤维的起始原料是沸点为70 ℃的液体二甲基二氯硅烷。将其与金属钠作用。在比钠沸点高的惰性有机溶剂中，熔融状态的钠被分散，在其中滴下二甲基二氯硅烷，脱盐酸反应的同时生成聚硅烷。将聚硅烷在惰性气氛中加热到400 ℃以上时，发生热转移反应和聚合反应，生成中间产物聚碳硅烷。将其熔融纺丝成纤维。得到的聚碳硅烷纤维在煅烧工序进行高温处理，由于空气中的氧而发生架桥反应，通常在氮气氛中进行热处理，在温度为1200～1500℃制得强度高的碳化硅纤维。

图XIV-9 气相反应合成装置

A-氢气入口;B-氢提纯装置;C-流量计;D-恒温浴;E-测温用棱镜;F-气体出口;G-石英玻璃管;H-基材;I-高周波感应线圈;J-基材架;K-石英玻璃管

2.在内部具备间壁的石墨坩埚里，放置原料碳化硅。用以石墨为发热体的Lely电炉(如图)，将坩埚加热至2200～2600℃，使原料SiC在坩埚低温部分升华，即制得高纯碳化硅。该法可制得较大型的α型碳化硅，缺点是容易包含细微炭粒。

3.利用上述以石墨作电阻的Lely电炉加热，在石墨坩埚中使碳溶解在熔融的硅里，利用温度差可使碳化硅单晶析出。与前法相比，可以较低的温度(约1500℃)析出结晶，这主要适合于β型碳化硅的合成。此法虽不包裹前法那样的炭粒，但是由于是在硅过量的情况下合成的，所以在结晶成长过程中，硅溶液容易渗进内部，此为该法缺点。

4.以四氯化硅、四氯化碳及氢气为原料，把混合气体送到感应加热的供结晶生长用基材上，使之反应。与此同时，使碳化硅结晶在基材上析出。根据反应气的浓度比，结晶生长温度，输送气体的流速，结晶生长用基材种类等条件的不同，其析出的结晶形状有所改变。当SiCl4/CCl4=1.4～1.8(摩尔比)，结晶生长温度1400～1500℃，氢气流速120cm/min以下的场合，得到须状结晶。超过这个范围则生成粒状结晶或在基材表面形成薄层(图)。

图气相反应合成装置

A—氢气入口;B—氢提纯装置;C—流量计;D—恒温浴;E—测温用棱镜;

F—气体出口;G—石英玻璃管;H—基材;I—高周波感应线圈;

J—基材架;K—石英玻璃管

该法的优点是可在较低温度下得到碳化硅结晶。

采用活性碳纤维法。将活性碳纤维和二氧化硅在真空中于1300℃反应1～3h，其反应过程是使二氧化硅在活性碳纤维细孔内反应，使其生成碳化硅，将碳化硅在氮气中并于1600℃下进行加热处理，即得碳化硅纤维。

5.采用硅石还原法。将高纯二氧化硅石和石油焦混合，做成10mm以下粒状，放入间接式电阻炉中，通电10～30h，在1800～1900℃反应，超过2000℃会使反应生成的SiC分解。通电完成后即反应完全，放冷，将生成的碳化硅破碎、粉碎、水洗，得到粒状产品。

贮存方法

本品应贮藏于阴凉、干燥、通风的库房内，不可与无机酸、碱共贮共运。

毒理学数据

吸入碳化硅粉尘会沉积于肺部，导致肺病。

生态学数据

其它有害作用：该物质对环境可能有危害，对水体应给予特别注意。

计算化学数据

1、疏水参数计算参考值（XlogP）：
2、氢键供体数量：0
3、氢键受体数量：1
4、可旋转化学键数量：0
5、互变异构体数量：
6、拓扑分子极性表面积（TPSA）：0
7、重原子数量：2
8、表面电荷：0
9、复杂度：10
10、同位素原子数量：0
11、确定原子立构中心数量：0
12、不确定原子立构中心数量：0
13、确定化学键立构中心数量：0
14、不确定化学键立构中心数量：0
15、共价键单元数量：1