什么是碳化硅?
碳和硅的原子序数分别为6和14,在元素周期表中处于碳族元素的第二和第三周期,即上下相邻的位置。这种位置关系,表明它们在某些方面具有类似的性质。
碳元素在我们的生活中无处不在,含碳化合物是生命的物质基础。硅也在地壳中的含量巨大,尤其是它在半导体和现代通讯业中的应用,推动了人类文明的发展。
在化学的世界里,碳和硅是同一族的亲兄弟;在我们生活的地球上,他们共存了数十亿年,却没有结成生死与共的牢固友谊,自然界中的碳化硅矿石十分罕见。
1824年,瑞典科学家Jons Jakob Berzelius在合成金刚石时观察到碳化硅(SiC)的存在,就此拉开了人类对于碳化硅材料研究的序幕。直到1891年,美国人E.G. Acheson在做电熔金刚石实验时,偶然得到了碳化硅。当时误认为是金刚石的混合体,故取名金刚砂。
1893年,Acheson研究出来了工业冶炼碳化硅的方法,也就是大家常说的艾奇逊炉,并一直沿用至今。这种方法是同以碳质材料为炉芯体的电阻炉,通电加热石英SiO2和碳的混合物生成碳化硅。
C和Si同族两兄弟强强联手,使得碳化硅这种材料拥有许多优异的化学和物理特性:优越的化学惰性、高硬度、高强度、较低的热膨胀系数以及高导热率,同时它还是一种半导体。
纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同,而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色,透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的 α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体,已发现70余种。
中国碳化硅与世界先进水平的差距主要集中在四个方面:一是在生产过程中很少使用大型机械设备,很多工序依靠人力完成,人均碳化硅产量较低;二是在碳化硅深加工产品上,对粒度砂和微粉产品的质量管理不够精细,产品质量的稳定性不够;三是某些尖端产品的性能指标与发达国家同类产品相比有一定差距;四是冶炼过程中一氧化碳直接排放。
碳化硅的制品之一的碳化硅陶瓷具有的高硬度、高耐腐蚀性以及较高的高温强度等特点,这使得碳化硅陶瓷得到了广泛的应用。如今,碳化硅的应用已从最早期的磨料,发展到轴承、半导体、航空航天和化学等多个领域。微反应器由于化学品和微通道内壁超高的接触表面积,对内壁材质的要求非常严苛。微通道反应器也成为了碳化硅的一个重要应用。