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
2025/01/21 10:17:44
409-21-2 結(jié)構(gòu)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(jī)化工：碳化物及碳酸鹽 所屬類別一
無機(jī)化工產(chǎn)品: 無機(jī)鹽: 其他無機(jī)化合物 所屬類別二
無機(jī)化工產(chǎn)品: 無機(jī)鹽: Cw無機(jī)功能材料 所屬類別三
無機(jī)化工產(chǎn)品: 無機(jī)鹽: Cn硅化合物及硅酸鹽物理化學(xué)性質(zhì)
外觀性狀淺黃色透明正方晶系晶體。熔點(diǎn)2700℃。相對(duì)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(jié)構(gòu)規(guī)整，具有良好的化學(xué)惰性，對(duì)氧化和熱波動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)體性。
熔點(diǎn)2700 °C(lit.)
堆積密度0.069g/cm3
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(jié)構(gòu)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(xué)物質(zhì)信息Silicon monocarbide(409-21-2)
EPA化學(xué)物質(zhì)信息Silicon carbide (SiC)(409-21-2)
安全數(shù)據(jù)
警示詞危險(xiǎn)
危險(xiǎn)性描述H350i
危險(xiǎn)品標(biāo)志Xi
危險(xiǎn)類別碼36/37/38
安全說明26-36
職業(yè)暴露等級(jí)B
職業(yè)暴露限值TWA: 10 mg/m3 (total)
WGK Germany3
RTECS號(hào)VW0450000
TSCAYes
海關(guān)編碼28492000
毒害物質(zhì)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(zhì)硅)與碳原料(炭黑)混合，在1300～1800℃非氧化氣氛中加熱進(jìn)行還原反應(yīng)，得到碳化硅晶須。氣相法有機(jī)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(jìn)行熱分解反應(yīng)，得到高純碳化硅晶須。
氮化硅轉(zhuǎn)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(jìn)行反應(yīng)，得到碳化硅晶須。
另外還有單質(zhì)硅與烴在有硫化氫存在的條件下進(jìn)行反應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)高的惰性有機(jī)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(yīng)的同時(shí)生成聚硅烷。將聚硅烷在惰性氣氛中加熱到400℃以上時(shí)，發(fā)生熱轉(zhuǎn)移反應(yīng)和聚合反應(yīng)，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(jìn)行高溫處理，由于空氣中的氧而發(fā)生架橋反應(yīng)，通常在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行熱處理，在溫度為1200～1500℃制得強(qiáng)度高的碳化硅纖維。方法3
氣相反應(yīng)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(yīng)加熱的供結(jié)晶生長用基材上，使之反應(yīng)，與此同時(shí)使碳化硅結(jié)晶在此基材上析出。根據(jù)反應(yīng)氣的濃度比、結(jié)晶生長溫度、輸送氣體的流速、結(jié)晶生長用基材的種類等條件的不同，其析出的結(jié)晶形狀有所改變。當(dāng)SiCl4/CC14=1.4～1.8(mo1)，結(jié)晶生長溫度1400～1500℃，氫氣流速120 cm/min以下的場(chǎng)合，得到須狀結(jié)晶。超過這個(gè)范圍則生成粒狀結(jié)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(xì)結(jié)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(yīng)5h，再將反應(yīng)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
應(yīng)用領(lǐng)域
參考質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二
763-001參考質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一
參考標(biāo)準(zhǔn)▼
▲
指標(biāo)名稱
指標(biāo)
碳化硅(SiC)含量／％≥
97
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(jié)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(jié)可得到堅(jiān)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(cè)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(dǎo)體。
非金屬碳化物
碳化硅是由硅與碳元素以共價(jià)鍵結(jié)合的非金屬碳化物，硬度僅次于金剛石和碳化硼?；瘜W(xué)式為SiC。無色晶體，表面氧化或含雜質(zhì)時(shí)呈藍(lán)黑色。具有金剛石結(jié)構(gòu)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(shí)由β-碳化硅轉(zhuǎn)變成α-碳化硅，α-碳化硅在2400℃仍然穩(wěn)定。對(duì)氫氟酸水溶液和濃硫酸穩(wěn)定，對(duì)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(jià)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(zhì)。碳化硅按結(jié)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(jié)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(zhì)多晶結(jié)構(gòu)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(zhì)時(shí)呈黑色、綠色、藍(lán)色及黃色。六方和立方晶系，晶體為板狀，復(fù)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(diǎn)：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(qiáng)度為171.5MPa；耐壓強(qiáng)度為1029MPa；線膨脹系數(shù)為(25～1000℃)5.0×10-6/℃；熱導(dǎo)率(20℃)為59W/(m·K)?；瘜W(xué)性質(zhì)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(xué)品的反應(yīng) 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(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的一種碳化物。當(dāng)時(shí)誤認(rèn)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(zhì)材料為爐芯的電阻爐，通電加熱SiO2和炭的混合物，反應(yīng)生成碳化硅的專利方法(美國專利492767號(hào))。分類和分級(jí)
按色澤、用途和結(jié)構(gòu)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(lán)色、深藍(lán)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?xì)w入綠碳化硅;淺藍(lán)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(zhì)的存在有關(guān)。工業(yè)碳化硅通常含有2%左右的各種雜質(zhì)，主要有二氧化硅、硅、鐵、鋁、鈣、鎂、碳等。當(dāng)結(jié)晶中熔有較多的碳時(shí)，結(jié)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(jí)。中國磨料行業(yè)規(guī)定，黑碳化硅有17個(gè)等級(jí);綠碳化硅有21個(gè)粒度等級(jí)。80號(hào)及其以上的磨料稱磨粒，100～280號(hào)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(yīng)在98%以上。耐火材料用碳化硅又分為(1)高級(jí)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(jí)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(zhì)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(xué)腐蝕、耐輻射和良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等特殊性能，因而在國民經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度低的材料，如玻璃、陶瓷、石料和耐火物等，同時(shí)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(zhì)合金、鈦合金、光學(xué)玻璃的磨削，同時(shí)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(jī)葉輪上，可大大提高葉輪的耐磨性;用機(jī)械壓力將立方體SiC200號(hào)磨粉與W28微粉壓入內(nèi)燃機(jī)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(yuǎn)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(nèi)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(dǎo)體的優(yōu)質(zhì)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(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料之一。
在航天工業(yè)中，用碳化硅制造的燃?xì)鉃V片、燃燒室噴嘴已用于火箭技術(shù)中。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的碳化硅纖維，是一種新型高強(qiáng)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(dá)1200℃，高溫下強(qiáng)度保持率可達(dá)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(fù)合用做增強(qiáng)金屬和陶瓷的增強(qiáng)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(jié)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(jié)料的配料中，以增加涂層對(duì)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?zé)峤夥磻?yīng)，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(qiáng)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(qiáng)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(jià)鍵化合物，單位晶胞由相同的硅碳四面體構(gòu)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(jié)構(gòu);β型，低溫型，立方結(jié)構(gòu)。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(jìn)行硅烷的熱分解法；③ 使用金屬有機(jī)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(jié)、熱壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、高溫等靜壓燒結(jié)。用化學(xué)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(jié)致密度，可加入一定量的 B、C、B4C、Al2O3、AlN、BeO和Al 等作為燒結(jié)助劑。碳化硅是共價(jià)鍵很強(qiáng)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(jié)和高溫等靜壓燒結(jié)可制備高致密碳化硅陶瓷，燒結(jié)溫度在1950～2100℃，制品性能好，難以制造形狀復(fù)雜的制品，且成本高。反應(yīng)燒結(jié)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(yīng)，生成 β-SiC。燒結(jié)溫度較低 (1400～1600℃)，可制造形狀復(fù)雜的制品，缺點(diǎn)是坯體中殘留8%～20%的游離硅，限制其高溫力學(xué)性能及在強(qiáng)酸強(qiáng)堿中的應(yīng)用。SiC陶瓷不僅具有室溫強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐磨和低摩擦系數(shù)，而且具有較高的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能，使用溫度可達(dá)1600℃，是目前已知的陶瓷材料中高溫抗氧化、強(qiáng)度最好的材料。缺點(diǎn)是脆性大，斷裂韌性較低。采用纖維、晶須和顆?？稍鲰g補(bǔ)強(qiáng)SiC陶瓷，明顯提高SiC陶瓷的韌性和強(qiáng)度。可廣泛用于石油、化工、汽車、航空航天、電子、原子能等領(lǐng)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(yīng)注意防灼傷及防暑降溫等措施。另外碳化硅粉末是化學(xué)性質(zhì)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(yīng)注意粉塵防護(hù)。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(fēng)、干燥的庫房內(nèi)，不可與無機(jī)酸、堿共貯混運(yùn)，運(yùn)輸過程中要防雨淋，搬運(yùn)時(shí)要輕裝輕卸，防止包裝破損。
失火時(shí)，可用水、干砂土和二氧化碳滅火器撲救。
毒性及防護(hù)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(hù)服及有關(guān)勞保用品、防止粉塵吸入。
重結(jié)晶碳化硅制品
重結(jié)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(jié)合的耐火制品。其特點(diǎn)是無第二相存在，由100%α-SiC構(gòu)成，為20世紀(jì)80年代開發(fā)的新型節(jié)能窯具材料。
圖2為重結(jié)晶碳化硅磚的性能
重結(jié)晶碳化硅磚具有高溫強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性好、抗熱震性好、抗熔渣和鋼水侵蝕性強(qiáng)、耐磨性高等特點(diǎn)。應(yīng)用于高爐爐腹內(nèi)襯、鐵水預(yù)處理車內(nèi)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(jié)晶碳化硅磚是以高純碳化硅(SiC≥99%)為原料，采用濕法超細(xì)磨粉料調(diào)漿、澆注工藝，經(jīng)超高溫?zé)?，因而此種磚具有比氮化硅結(jié)合的碳化硅磚更高的高溫?cái)嗔褟?qiáng)度和抗氧化性。高純?cè)霞?xì)粉先經(jīng)酸洗，除去表面的氧化膜雜質(zhì)。加表面活性劑后采用濕法細(xì)磨，加入添加劑，以調(diào)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(duì)密度。燒成采用專門的高頻電爐，爐內(nèi)充氬氣作保護(hù)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(jié)晶碳化硅磚工藝流程圖
重結(jié)晶碳化硅磚制造工藝要點(diǎn)：(1)級(jí)配必須能達(dá)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(dá)2500℃高溫的電爐進(jìn)行。溫度在2100℃以上，SiC發(fā)生蒸發(fā)凝結(jié)，導(dǎo)致無收縮的自結(jié)合結(jié)構(gòu)。
重結(jié)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(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，還可用作燒嘴噴嘴頭、陶瓷輻射加熱管、元件保護(hù)管(特別是用于氣氛爐)等。