409-21-2
中文名稱
碳化硅
英文名稱
Silicon carbide
CAS
409-21-2
分子式
CSi
分子量
40.1
MOL 文件
409-21-2.mol
更新日期
2024/12/19 09:04:03
409-21-2 結構式
基本信息
中文別名
碳化硅碳化矽
耐火砂
硅碳化物
碳化硅粉末
碳化硅微粉
碳化硅晶須
針形碳化硅
納米碳化硅
綠色碳化硅
英文別名
SiCua1
ua2
ua3
ua4
kz3m
kz5m
kz7m
scw1
uf15
所屬類別
無機化工：碳化物及碳酸鹽 所屬類別一
無機化工產(chǎn)品: 無機鹽: 其他無機化合物 所屬類別二
無機化工產(chǎn)品: 無機鹽: Cw無機功能材料 所屬類別三
無機化工產(chǎn)品: 無機鹽: Cn硅化合物及硅酸鹽物理化學性質
外觀性狀淺黃色透明正方晶系晶體。熔點2700℃。相對密度3.217。溶于融熔的氫氧化鉀中，不溶于冷、熱水及酸。晶體結構規(guī)整，具有良好的化學惰性，對氧化和熱波動有很好的承受力。具有低的膨脹系數(shù)和較高的傳熱系數(shù)。實驗證明，在2300℃高溫，碳化硅固體表面氣相中含自由硅僅5%。并具高硬度及半導體性。
熔點2700 °C(lit.)
密度3.22 g/mL at 25 °C(lit.)
折射率2.6500
溶解度溶于熔融的氫氧化鈉、氫氧化鉀和鐵水。
形態(tài)nanopowder
比重3.22
顏色綠色
電阻率 (resistivity)107–200 (ρ/μΩ.cm)
水溶解性Soluble in molten alkalis (NaOH, KOH) and molten iron. Insoluble in water.
晶體結構Cubic, Sphalerite Structure - Space Group F(-4)3m
水解敏感性1: no significant reaction with aqueous systems
Merck14,8492
暴露限值ACGIH: TWA 10 mg/m3; TWA 3 mg/m3; TWA 0.1 fiber/cm3
OSHA: TWA 15 mg/m3; TWA 5 mg/m3
NIOSH: TWA 10 mg/m3; TWA 5 mg/m3
OSHA: TWA 15 mg/m3; TWA 5 mg/m3
NIOSH: TWA 10 mg/m3; TWA 5 mg/m3
穩(wěn)定性Stability
InChIKeyHBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N
(IARC)致癌物分類2A (Vol. 111) 2017
NIST化學物質信息Silicon monocarbide(409-21-2)
EPA化學物質信息Silicon carbide (SiC)(409-21-2)
安全數(shù)據(jù)
警示詞危險
危險性描述H350i
危險品標志Xi
危險類別碼36/37/38
安全說明26-36
WGK Germany3
RTECS號VW0450000
TSCAYes
海關編碼28492000
毒害物質數(shù)據(jù)409-21-2(Hazardous Substances Data)
制備方法
方法1
碳還原法硅原料(二氧化硅或單質硅)與碳原料(炭黑)混合，在1300～1800℃非氧化氣氛中加熱進行還原反應，得到碳化硅晶須。氣相法有機硅化合物(甲基三氯硅烷)或鹵化硅與烴類的混合物，在有還原性氣體存在并于1100～1500℃下進行熱分解反應，得到高純碳化硅晶須。
氮化硅轉化法以氮化硅和碳為原料，在一氧化碳非氧化性氣氛中，于1400～1900℃溫度下加熱進行反應，得到碳化硅晶須。
另外還有單質硅與烴在有硫化氫存在的條件下進行反應的方法，亦可得到碳化硅晶須。
方法2
碳化硅纖維的起始原料是沸點為70℃的液體二甲基二氯硅烷。將其與金屬鈉作用。在比鈉沸點高的惰性有機溶劑中，熔融狀態(tài)的鈉被分散，在其中滴下二甲基二氯硅烷，脫鹽酸反應的同時生成聚硅烷。將聚硅烷在惰性氣氛中加熱到400℃以上時，發(fā)生熱轉移反應和聚合反應，生成中間產(chǎn)物聚碳硅烷。將其熔融紡絲成纖維。得到的聚碳硅烷纖維在煅燒工序進行高溫處理，由于空氣中的氧而發(fā)生架橋反應，通常在氮氣氛中進行熱處理，在溫度為1200～1500℃制得強度高的碳化硅纖維。方法3
氣相反應法以四氯化硅、四氯化碳和氫氣為原料，把這種混合氣體送到感應加熱的供結晶生長用基材上，使之反應，與此同時使碳化硅結晶在此基材上析出。根據(jù)反應氣的濃度比、結晶生長溫度、輸送氣體的流速、結晶生長用基材的種類等條件的不同，其析出的結晶形狀有所改變。當SiCl4/CC14=1.4～1.8(mo1)，結晶生長溫度1400～1500℃，氫氣流速120 cm/min以下的場合，得到須狀結晶。超過這個范圍則生成粒狀結晶或在表面形成薄層。方法4
二氧化硅碳化還原法把平均粒徑0.01μm的二氧化硅粉末1份(重量份，以下同)與平均粒徑0.05μm的炭粉末2份及平均粒徑0.1μm以下的微細結晶性口型碳化硅粉末0.04份混合，然后放入石墨容器中，在氬氣流下(流量：2 L/min)，在1600℃反應5h，再將反應生成物在空氣中，在700℃加熱2h，以除去殘留的炭，制得口型碳化硅粉末產(chǎn)品。其SiO2+3C→SiC+2CO
常見問題列表
簡介
碳化硅俗稱金剛砂，寶石名稱鉆髓，為硅與碳相鍵結而成的陶瓷狀化合物，碳化硅在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。將碳化硅粉末燒結可得到堅硬的陶瓷狀碳化硅顆粒，并可將之用于諸如汽車剎車片、離合器和防彈背心等需要高耐用度的材料中，在諸如發(fā)光二極管、早期的無線電探測器之類的電子器件制造中也有使用。如今碳化硅被廣泛用于制造高溫、高壓半導體。
非金屬碳化物
碳化硅是由硅與碳元素以共價鍵結合的非金屬碳化物，硬度僅次于金剛石和碳化硼?；瘜W式為SiC。無色晶體，表面氧化或含雜質時呈藍黑色。具有金剛石結構的碳化硅變體俗稱金剛砂。金剛砂的硬度接近金剛石，熱穩(wěn)定性好，2127℃時由β-碳化硅轉變成α-碳化硅，α-碳化硅在2400℃仍然穩(wěn)定。對氫氟酸水溶液和濃硫酸穩(wěn)定，對濃氫氟酸與硝酸的混合酸或磷酸則不穩(wěn)定。在空氣氛中被熔融的堿分解。它分為人工合成碳化硅和天然碳化硅。天然碳化硅稱為碳硅石，主要賦存于金伯利巖及火山角閃巖中，但其量甚少，無開采價值。工業(yè)用碳化硅為人造碳化硅，SiC含量為95%～99.5%，常含少量的游離碳，以及Fe2O3、Si和SiO2等雜質。碳化硅按結晶類型可分為六方晶系(α-SiC)和立方晶系(β-SiC)，六方晶系又因其結晶排列的周期性不同有六方晶胞的晶型(2H、4H、6H……等)和菱形晶胞的晶型(15R、21R、27R……等)，碳化硅的同質多晶結構有100多種。工業(yè)碳化硅為α-SiC和β-SiC的混合物，顏色有黑色和綠色兩種。純凈的碳化硅為無色透明，含雜質時呈黑色、綠色、藍色及黃色。六方和立方晶系，晶體為板狀，復三方柱狀。具有玻璃光澤，密度為3.17～3.47g/cm3，莫氏硬度9.2，顯微硬度30380～33320MPa；熔點：在大氣中2050℃開始分解，在還原氣氛下2600℃開始分解；彈性模量為466、480MPa；抗拉強度為171.5MPa；耐壓強度為1029MPa；線膨脹系數(shù)為(25～1000℃)5.0×10-6/℃；熱導率(20℃)為59W/(m·K)。化學性質穩(wěn)定，在HCl、H2SO4和HF中煮沸也不受浸蝕，但在濃H3PO4中于230℃開始分解。
圖1為碳化硅與各種氣體和化學品的反應 碳化硅可用作研磨材料、耐火材料、電阻發(fā)熱元件及脫氧劑等。在耐火材料工業(yè)中，碳化硅用來生產(chǎn)各種碳化硅磚，也可用作添加劑或抗氧化劑。
以上信息由Chemicalbook曉楠編輯整理。
發(fā)現(xiàn)歷史
碳化硅是由美國工程師艾奇遜(E.G.Acheson)在1891年電熔金剛石時偶然發(fā)現(xiàn)的一種碳化物。當時誤認為是和剛玉的化合物，取名金剛砂。1893年，艾奇遜研究出制造碳化硅的工業(yè)方法，以炭質材料為爐芯的電阻爐，通電加熱SiO2和炭的混合物，反應生成碳化硅的專利方法(美國專利492767號)。分類和分級
按色澤、用途和結構的不同，碳化硅可分為不同的類別。純碳化硅是無色透明的晶體。工業(yè)碳化硅則有無色、淡黃色、淺綠色、深綠色或淺藍色、深藍色乃至黑色。磨料行業(yè)把碳化硅按色澤分為黑碳化硅和綠碳化硅兩大類，其中無色的直到深綠色的都歸入綠碳化硅;淺藍色的至黑色的則歸入黑碳化硅。碳化硅多色的原因與各種雜質的存在有關。工業(yè)碳化硅通常含有2%左右的各種雜質，主要有二氧化硅、硅、鐵、鋁、鈣、鎂、碳等。當結晶中熔有較多的碳時，結晶是黑色。綠碳化硅較脆，黑碳化硅較韌，前者研磨能力略高于后者。按粒度大小，產(chǎn)品分為不同的等級。中國磨料行業(yè)規(guī)定，黑碳化硅有17個等級;綠碳化硅有21個粒度等級。80號及其以上的磨料稱磨粒，100～280號磨料稱磨粉。
按用途不同：碳化硅又分為磨料用、耐火材料用、脫氧劑用、電工用碳化硅等。磨料用碳化硅其SiC含量應在98%以上。耐火材料用碳化硅又分為(1)高級耐火材料黑碳化硅，其SiC含量與磨料用碳化硅完全相同;(2)二級耐火材料黑碳化硅，SiC含量大于90%;(3)低品位耐火材料黑碳化硅，SiC含量大于83%。脫氧劑用碳化硅，SiC含量一般要求大于90%。但炭素工業(yè)石墨化爐保溫料中碳化硅含量大于45%的經(jīng)過處理也可用做煉鋼脫氧劑。脫氧劑用碳化硅有粉末狀與成型塊兩種。粉末狀脫氧劑黑碳化硅通常有4～0.5mm和0.5～0.1mm兩種粒度。電工用碳化硅有兩種主要類別：(1)電熱元件用綠碳化硅，其本質與磨料用綠碳化硅完全一樣。(2)避雷器用碳化硅，其電性能要求特殊，不同于磨料用耐火材料用黑碳化硅。
碳化硅的用途
碳化硅制品具有耐高溫、耐磨、耐熱震、耐化學腐蝕、耐輻射和良好的導電性、導熱性等特殊性能，因而在國民經(jīng)濟各部門中具有廣泛的用途。在中國，綠碳化硅主要用做磨料。黑碳化硅用于制造磨具，多用于切割和研磨抗張強度低的材料，如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等，同時也用于鑄鐵零件和有色金屬材料的磨削。綠碳化硅制成的磨具，多用于硬質合金、鈦合金、光學玻璃的磨削，同時也用于缸套的珩磨及高速鋼刀具的精磨。立方碳化硅磨具專用于微型軸承的超精磨。用電鍍方法將碳化硅微粉涂敷于水輪機葉輪上，可大大提高葉輪的耐磨性;用機械壓力將立方體SiC200號磨粉與W28微粉壓入內燃機的汽缸壁上，可延長缸體壽命一倍以上。在電氣工業(yè)中，碳化硅可用做避雷器閥體、硅碳電熱元件、遠紅外線發(fā)生器等。在電子工業(yè)中，如在工業(yè)碳化硅爐內或在工業(yè)爐上用特殊方法培育出來大片完整的碳化硅單晶體，可作為發(fā)光二極管(如晶體燈、數(shù)字管燈)的基片;高純碳化硅晶體是制作耐輻射高溫半導體的優(yōu)質材料。碳化硅是少數(shù)禁帶寬度大(2.86eV)且具有P及n兩種導電類型的半導體材料之一。
在航天工業(yè)中，用碳化硅制造的燃氣濾片、燃燒室噴嘴已用于火箭技術中。已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的碳化硅纖維，是一種新型高強度、高模量材料，具有優(yōu)異的耐熱性和耐氧化性，與金屬、樹脂有良好的相容性。使用溫度可達1200℃，高溫下強度保持率可達80%以上?？捎靡灾谱鳠崞帘尾牧?、耐高溫輸送帶、過濾高溫氣體或熔融金屬的濾布，也可與炭纖維或玻璃纖維復合用做增強金屬和陶瓷的增強材料。
低品位的碳化硅可用做煉鋼脫氧劑及鑄鐵添加劑。
在炭素工業(yè)中，碳化硅主要用來生產(chǎn)煉鐵高爐用磚，如石墨碳化硅、氮化硅結合的碳化硅磚等。
在石墨電極生產(chǎn)中，碳化硅還用做耐氧化涂層電極的涂層耐火燒結料的配料中，以增加涂層對溫度急劇變化的承受能力。
在特種炭素材料——生物炭的制造中，常以丙烷和三氯甲基硅烷為氣體原料，經(jīng)高溫熱解反應，在石墨基體上沉積生成含硅熱解炭涂層，以增加制品的硬度、強度和耐磨性。涂層中的碳化硅以β-SiC的晶型存在，晶粒尺寸為1μm左右。用此法制造的生物炭制品如含硅熱解炭人造心臟瓣膜等，具有很好的生物相容性。
碳化硅陶瓷
碳化硅陶瓷為高溫下強度最高的陶瓷材料，是以碳化硅為主要成分的陶瓷材料。碳化硅是典型的共價鍵化合物，單位晶胞由相同的硅碳四面體構成，硅原子處于中心，周圍是碳。主要有兩種晶型：α型，高溫型，六方結構;β型，低溫型，立方結構。天然的碳化硅幾乎不存在，常常需要人工合成。碳化硅粉料的合成方法主要有：①碳熱還原法，SiO2+3C→SiC+2CO↑；②高頻等離子體或激光進行硅烷的熱分解法；③ 使用金屬有機化合物的溶膠-凝膠法等。碳化硅陶瓷的制備方法主要有常壓燒結、熱壓燒結、反應燒結、高溫等靜壓燒結。用化學氣相沉積(CVD)法可制備碳化硅陶瓷薄膜。提高碳化硅陶瓷的燒結致密度，可加入一定量的 B、C、B4C、Al2O3、AlN、BeO和Al 等作為燒結助劑。碳化硅是共價鍵很強的化合物，在常壓下很難使其完全致密化，只能得到接近理論密度95%的碳化硅陶瓷。熱壓燒結和高溫等靜壓燒結可制備高致密碳化硅陶瓷，燒結溫度在1950～2100℃，制品性能好，難以制造形狀復雜的制品，且成本高。反應燒結由α-SiC和石墨粉末按一定比例混合壓成坯體，加熱使之與熔融的液態(tài)Si或氣相Si反應，生成 β-SiC。燒結溫度較低 (1400～1600℃)，可制造形狀復雜的制品，缺點是坯體中殘留8%～20%的游離硅，限制其高溫力學性能及在強酸強堿中的應用。SiC陶瓷不僅具有室溫強度高、耐腐蝕、耐磨和低摩擦系數(shù)，而且具有較高的高溫強度和抗蠕變性能，使用溫度可達1600℃，是目前已知的陶瓷材料中高溫抗氧化、強度最好的材料。缺點是脆性大，斷裂韌性較低。采用纖維、晶須和顆粒可增韌補強SiC陶瓷，明顯提高SiC陶瓷的韌性和強度。可廣泛用于石油、化工、汽車、航空航天、電子、原子能等領域，用作耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、密封、電子封裝等材料。
毒性
碳化硅生產(chǎn)需高溫操作，應注意防灼傷及防暑降溫等措施。另外碳化硅粉末是化學性質穩(wěn)定，且硬度高的惰性粉末，吸入肺部沉積于肺而引起肺部疾病。高濃度粉末引起塵肺，應注意粉塵防護。毒性
用聚乙烯塑料袋密封口，外套聚丙烯編織袋包裝，每袋凈重25 kg。貯存在陰涼、通風、干燥的庫房內，不可與無機酸、堿共貯混運，運輸過程中要防雨淋，搬運時要輕裝輕卸，防止包裝破損。
失火時，可用水、干砂土和二氧化碳滅火器撲救。
毒性及防護吸入碳化硅粉塵則沉積于肺部而引起肺部疾病。工作人員要穿戴全身防護服及有關勞保用品、防止粉塵吸入。
重結晶碳化硅制品
重結晶碳化硅制品以碳化硅為原料制成的碳化硅與碳化硅直接結合的耐火制品。其特點是無第二相存在，由100%α-SiC構成，為20世紀80年代開發(fā)的新型節(jié)能窯具材料。
圖2為重結晶碳化硅磚的性能
重結晶碳化硅磚具有高溫強度大、導熱性好、抗熱震性好、抗熔渣和鋼水侵蝕性強、耐磨性高等特點。應用于高爐爐腹內襯、鐵水預處理車內襯、干熄焦塔襯、陶瓷行業(yè)窯具磚及鋅冶煉蒸餾罐襯等。
重結晶碳化硅磚是以高純碳化硅(SiC≥99%)為原料，采用濕法超細磨粉料調漿、澆注工藝，經(jīng)超高溫燒成，因而此種磚具有比氮化硅結合的碳化硅磚更高的高溫斷裂強度和抗氧化性。高純原料細粉先經(jīng)酸洗，除去表面的氧化膜雜質。加表面活性劑后采用濕法細磨，加入添加劑，以調整泥漿粘度，其粘度一般控制在0.1～0.15Pa·s之間，泥漿以微壓注漿，可以提高坯體相對密度。燒成采用專門的高頻電爐，爐內充氬氣作保護氣體，氣體壓力控制在0.1～0.25MPa，燒成溫度為2000～2400℃。
圖3為重結晶碳化硅磚工藝流程圖
重結晶碳化硅磚制造工藝要點：(1)級配必須能達到最大堆集密度，泥料成型壓力必須保證獲得大的體積密度。(2)燒成必須采用與空氣隔絕的可達2500℃高溫的電爐進行。溫度在2100℃以上，SiC發(fā)生蒸發(fā)凝結，導致無收縮的自結合結構。
重結晶碳化硅制品主要用作窯具，有節(jié)能、增加窯的有效容積、縮短燒成周期、提高窯的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，還可用作燒嘴噴嘴頭、陶瓷輻射加熱管、元件保護管(特別是用于氣氛爐)等。