碳化硅是一種具有SiC分子的合成碳化物。通電后，二氧化硅和碳通常在高于2000°C的高溫下形成。碳化硅的理論密度為3.18g/cm3，莫氏硬度緊隨金剛石，顯微硬度在9.2至9.8之間為3300kg/mm3。由于其高硬度和高耐磨性，它具有耐高溫的特點，用于各種耐磨、耐腐蝕、耐高溫的機械零件。它是一種新型的耐磨陶瓷技術(shù)。純碳化硅是一種無色透明的晶體，工業(yè)碳化硅是無色、淺黃色、淺綠色、深綠色、淺藍色、深藍色或黑色，透明度依次降低。磨料行業(yè)根據(jù)其顏色將碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅。其中，無色至深綠色為綠色碳化硅，淺藍至黑色為黑色碳化硅。兩種碳化硅（黑色和綠色）的機械性能略有不同。綠色碳化硅的機械性能很脆，制造的自銳度很強。黑色碳化硅的耐力更強。

 碳化硅晶體結(jié)構(gòu)是一種典型的共價鍵組合化合物，在自然界中幾乎不存在。碳化硅晶格的基本結(jié)構(gòu)單元是相互穿插的SiC4和CSI4四面體。四面體共邊形成平面層，上層與下層連接形成三維結(jié)構(gòu)。SiC有α和β兩種晶體類型。β-SiC的晶體結(jié)構(gòu)為立方晶體系統(tǒng)，分別形成面心立方晶格；α-SiC有100多種多型體，如4H、15R和6H，其中6H多型體是工業(yè)應(yīng)用中非常常見的一種。α-SiC是一種高溫穩(wěn)定型，β-SiC是一種低溫穩(wěn)定型。β-SiC可在2100~2400℃轉(zhuǎn)化為α-SiC，β-SiC可在1450℃左右由簡單的硅和碳混合物制成。當溫度低于1600℃時，SiC以β-SiC的形式存在。當高于1600℃時，β-SiC慢慢轉(zhuǎn)化為α-SiC。4H-SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型體在2100℃以上的高溫下容易生成；對于6H-SiC，即使溫度超過2200℃，也非常穩(wěn)定。下表列出了常見的SiC多型體：

碳化硅的基本性能包括化學性能、物理機械性能、電學性能等性能（親水性好、遠紅外輻射等）。

(一)化學性質(zhì)。

       (1)抗氧化性:當碳化硅材料在空氣中加熱到1300℃時，二氧化硅保護層開始在其碳化硅晶體表面產(chǎn)生。隨著保護層的加厚，內(nèi)部碳化硅繼續(xù)氧化，使碳化硅具有良好的抗氧化性。當溫度達到1900K(1627℃)以上時，二氧化硅保護膜開始受損，碳化硅氧化作用加劇，因此1900K是碳化硅在含氧化劑氣氛中的工作溫度。

       (2)耐酸堿性:由于二氧化硅保護膜的作用，于二氧化硅保護膜的作用，碳化硅具有性。

(二)物理機械性能。

       (1)密度:各種碳化硅晶體的顆粒密度非常接近，一般認為是3.20g/mm3，碳化硅磨料的自然堆積密度在1.2-1.6g/mm3之間，取決于粒度號、粒度組成和粒度形狀。

       (2)硬度:碳化硅的莫氏硬度為9.2，威氏顯微密度為3000-3300kg/mm2，努普硬度為2670-2815kg/mm，磨料高于剛玉，接近金剛石、立方氮化硼和碳化硼。

       (3)導熱性:碳化硅產(chǎn)品導熱性高，熱膨脹系數(shù)小，抗熱震性高，是優(yōu)質(zhì)耐火材料。

(三)電學性質(zhì)。

       工業(yè)碳化硅是常溫下的半導體，屬于雜質(zhì)導電性。隨著溫度的升高，高純度碳化硅的電阻率下降，雜質(zhì)碳化硅的導電性因雜質(zhì)而異。碳化硅的另一種電性是電致發(fā)光，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了實用的設(shè)備。Sic在隕石中發(fā)現(xiàn)，在地球上幾乎不存在。因此，工業(yè)應(yīng)用的Sic粉末是合成的。目前，合成Sic粉末的主要方法有：Acheson法、直接合法、熱分解法和氣相反應(yīng)法等。其中，Acheson法在實際工業(yè)生產(chǎn)中更為流行。

碳化硅粉的合成方法主要有:Acheson、直接合法、熱分解和氣相反應(yīng)等。Acheson法在實際工業(yè)生產(chǎn)中更為流行。

       Acheson法是一種合成方法，在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。α-SiC粉末的方法是將石英砂和焦炭的混合物加熱到2500℃左右的高溫，使其反應(yīng):SiO2(s)+3C(s)→α-SiC(s)+2CO(g)。二氧化硅原料可采用熔融石英砂或破碎石英巖，碳可采用石墨、石油焦或無灰無煙煤制成。添加Nacl和鋸末作為添加劑，通常在2000~2400℃的電弧爐中反應(yīng)合成。整個反應(yīng)爐由移動耐火磚組成，長10~20m，寬3~4m，可容納400t石墨電極，放置在兩端，通電后產(chǎn)生高溫。由于反應(yīng)過程中整個電弧爐較大，溫度場分布不均勻，中心溫度遠高于爐壁溫度，碳化硅合成爐產(chǎn)品不均勻，常有不純物質(zhì)，核心產(chǎn)品為純綠色碳化硅，外雜質(zhì)較多，一般雜質(zhì)為鐵、鋁、碳等，因此顏色為黑色（合成石英砂和焦炭通常含有Al、Fe等金屬雜質(zhì)，因此SIC一般溶解少量雜質(zhì)。其中，雜質(zhì)含量較少的為綠色，稱為綠色碳化硅；雜質(zhì)含量較多的為黑色，稱為黑色碳化硅）。該方法生產(chǎn)的碳化硅也可稱為高溫碳化硅，其相α-SIC。如果用于陶瓷生產(chǎn)，則需要粉碎和凈化，以達到所需的純度和粒度。

碳化硅陶瓷的燒結(jié)工藝主要包括重結(jié)晶碳化硅陶瓷、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷、無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷、熱壓燒結(jié)碳化硅陶瓷、高溫熱等靜壓燒結(jié)碳化硅陶瓷、化學氣相沉積碳化硅等。碳化硅是一種典型的共價鍵結(jié)合的穩(wěn)定化合物。此外，其擴散系數(shù)低，傳統(tǒng)的燒結(jié)方法難以實現(xiàn)致密。需要添加一些燒結(jié)添加劑來減少表面能量或增加表面積，并采用特殊的工藝處理來獲得致密的碳化硅陶瓷。復(fù)雜形狀和大尺寸的SiC部件可以通過無壓燒結(jié)工藝制備，因此被認為是SiC陶瓷非常有前途的燒結(jié)方法。熱壓燒結(jié)工藝只能制備簡單形狀的SiC部件，一次熱燒結(jié)工藝制備的產(chǎn)品數(shù)量非常小，不利于商業(yè)生產(chǎn)。雖然熱等靜壓工藝可以獲得復(fù)雜形狀的SiC產(chǎn)品，但也很難實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。復(fù)雜形狀的SIC部件可以通過反應(yīng)燒結(jié)工藝制備，燒結(jié)溫度較低，但反應(yīng)燒結(jié)SIC陶瓷的高溫性能較差。表1顯示了SIC陶瓷在無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)中的一些性能。顯然，由于燒結(jié)方法的不同，SIC陶瓷的性能也有所不同。一般來說，無壓燒結(jié)SIC陶瓷的綜合性能優(yōu)于反應(yīng)燒結(jié)SIC，但不如熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)SIC。

                 不同燒結(jié)方法性能對照表

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備工藝相對簡單。直接采用顆粒級碳化硅（一般為1~10μm），與碳混合形成素坯，然后在高溫下滲透硅。部分硅與碳反應(yīng)產(chǎn)生與原坯體中的硅結(jié)合，達到燒結(jié)的目的。有兩種方法可以滲透硅。一種是溫度達到硅的熔化溫度，產(chǎn)生硅的液相。通過毛細管的作用，硅直接進入坯體，與碳反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅，達到燒結(jié)；另一種是溫度大于硅的熔化溫度，產(chǎn)生硅蒸汽，通過硅蒸汽滲入坯體達到燒結(jié)。

       燒結(jié)后一般的游離硅一般較多，一般達到10%~15%，有時達到15%以上，給產(chǎn)品性能帶來不利影響。通過氣相滲硅，由于坯體的預(yù)留氣孔可以盡可能少，燒結(jié)后的游離硅含量可以降低到10%以下，部分工藝可以降低到8%以下，產(chǎn)品的性能可以大大提高。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的燒結(jié)溫度為1450~1700℃。碳和碳化硅的骨架可以提前切割成任何形狀，燒結(jié)時坯體的收縮只有3%以內(nèi)，有利于產(chǎn)品尺寸的控制，大大降低了成品的磨削量。碳化硅、碳、粘合劑等原料不需要特殊處理，市場供應(yīng)。因此，該工藝制備的碳化硅燒結(jié)體的生產(chǎn)成本較低，價格相對較低，競爭力較強。然而，該過程決定了游離硅總是殘留在空白體中，這將影響未來產(chǎn)品的應(yīng)用。燒結(jié)體的強度不如其他工藝產(chǎn)品，耐磨性降低。主要原因是游離硅不能耐堿性、氫氟酸等強酸介質(zhì)的腐蝕，因此其使用有限。此外，高溫強度也受游離硅的影響，一般使用溫度應(yīng)限制在1350℃以下。

       重結(jié)晶碳化硅陶瓷是一種利用泥漿澆注法制成高密度毛坯的SiC成型件。毛坯在隔離空氣的條件下，用電爐在2500℃以上燃燒，在2100℃以上溫度下蒸發(fā)凝結(jié)，形成無收縮自組合結(jié)構(gòu)。燃燒前和密度保持不變，晶體之間形成固體碳化硅組合。α-SiC的碳化硅含量可達98%，密度可達2.6g/cm3，氣孔率約為20%。

       無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷（常壓燒結(jié)碳化硅陶瓷）工藝可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。固相燒結(jié)是在亞微米級β-SiC或α-SiC中加入少量硼和碳，實現(xiàn)碳化硅無壓燒結(jié)，制成接近理論密度95%的致密燒結(jié)體。未來的許多研究表明，硼和硼的化合物以及Al和Al的化合物可以與碳化硅形成固溶體，促進燒結(jié)。碳的添加與碳化硅表面的二氧化硅反應(yīng)，增加表面，有利于燒結(jié)。固相燒結(jié)碳化硅的晶界干凈，基本上沒有液相，晶粒在高溫下容易生長。因此，斷裂是晶體斷裂，強度和斷裂韌性一般不高，在300~450mpa和3.5~4.5mpam1/2之間。然而，它的晶相對干凈，高溫強度不會隨溫度的升高而變化。一般可使用1600℃，強度不變。Sic-AlN系統(tǒng)在固相燒結(jié)中值得注意。由于其良好的電阻和導熱性，它將是一種廉價的大型集成電路基板材料。碳化硅液相燒結(jié)的主要燒結(jié)添加劑是Y2O3-Al2O3。根據(jù)圖，YAG（Y3A15O15，熔點1760℃）有三種低共熔化合物；YAP（YAlO3，熔點1850℃）；YAM（Y4Al2O9，熔點1940℃。YAG通常用作碳化硅的燒結(jié)添加劑，以降低燒結(jié)溫度。

碳化硅的用途。

       （1）磨料：由于其超硬性能，可制備各種研磨砂輪、砂布、砂紙和各種研磨材料，廣泛應(yīng)用于機械加工行業(yè)。我國工業(yè)碳化硅主要用作研磨材料，黑色碳化硅研磨工具，主要用于切割和研磨抗張強度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材和耐火材料，但也用于鑄鐵零件和有色金屬材料的研磨。綠色碳化硅研磨工具主要用于硬合金、鈦合金、光學玻璃研磨，也用于缸套研磨和高速鋼刀具研磨。立方碳化硅專門用于微軸承的超精度研磨。由W3.5立方碳化硅微粉制成的石油對軸承（ZGCrl5）進行超精度研磨，其光潔度可直接從▽9研磨到▽12以上。因此，在其他相同粒度的研磨材料中，立方碳化硅的加工效率較高。

       （2）耐火材料：國外使用碳化硅的耐火材料數(shù)量大于磨料數(shù)量。耐火材料黑色碳化硅通常分為三個品牌：①耐火材料黑色碳化硅。該品牌的化學成分要求與磨料中使用的黑色碳化硅相同。主要用于制造先進的碳化硅產(chǎn)品，如重結(jié)晶碳化硅產(chǎn)品、燃氣輪機構(gòu)件、噴嘴、氮化硅結(jié)合碳化硅制品、高爐高溫區(qū)襯里材料、高溫窯構(gòu)件、高溫窯安裝窯支撐件、耐火箱碗等，②二級耐火材料黑色碳化硅含有90%以上的碳化硅。主要用于制造馬弗爐襯里材料等耐中高溫窯構(gòu)件。除了碳化硅的耐熱性和導熱性外，這些構(gòu)件還在許多場合使用其化學穩(wěn)定性。③低品位耐火材料黑色碳化硅含量大于83%，主要用于鐵槽、鐵水包、煉鋅和海綿鐵制造的襯里。

       (3)脫氧劑:與硅鐵脫氧相比，碳化硅脫氧劑產(chǎn)生的鋼質(zhì)量更好、更經(jīng)濟。因為使用碳化硅脫氧時，渣少而快，有效降低了渣中某些有用元素的含量，煉鋼時間短，成分控制更好。脫氧劑黑色碳化硅廣泛應(yīng)用于美國、日本等國的鋼鐵行業(yè)。磨料或耐火材料用碳化硅在爐內(nèi)生產(chǎn)的適合脫氧劑的材料，無需回爐即可銷售和使用。產(chǎn)品綜合利用率高，碳化硅生產(chǎn)經(jīng)濟效果好。

       （4）耐高溫零件：利用碳化硅陶瓷的高硬度、耐磨性和耐酸堿腐蝕性，創(chuàng)造新一代機械密封材料、滑動軸承和機械化工中的耐腐蝕材料。管道、閥門和風扇葉片。特別是作為一種機械密封材料，它已被國際公認為第四代金屬、氧化鋁和硬金屬。與其他材料相比，它對酸和堿的耐受性很好，幾乎沒有。材料是可比的。碳化硅陶瓷的高導熱性可用于冶金行業(yè)熔爐的高溫換熱器。使用溫度可達1300°C。與其他金剛砂面包相比，碳化硅金剛砂面包可以提高大米的質(zhì)量。移動率從1%提高到2%，成本從30%降低到40%。在水輪機葉輪上涂抹碳化硅粉末可以大大提高葉輪的耐磨性，延長葉輪的維護時間。在機械壓力下，立方碳化硅粉和W28粉被壓入內(nèi)燃機的氣缸壁，可以延長氣缸的使用壽命。在水輪機葉輪上涂抹碳化硅粉末可以大大提高葉輪的耐磨性，延長其維護時間。表面采用碳化硅和硼砂的混合物進行化學熱處理，然后在45#鋼收割鏟上進行硼化處理。硼化層的硬度可達到1800-2000kg/mm2的微凱氏定氮硬度，從而延長使用壽命。

碳化硅輥已成功應(yīng)用于軋機中。它們比金屬輥具有更好的耐熱性和耐磨性，可以提高軋鋼的質(zhì)量。碳化硅砂泵和水力旋流器具有良好的耐磨性；碳化硅氣缸套等耐磨部件可廣泛應(yīng)用于石油化工機械中。它們也可以用作高溫熱力學材料。碳化硅具有良好的高溫性能，如高溫抗氧化性、高溫抗性、低蠕變性、良好的導熱性和低密度。是耐高溫機械零件的上好的選擇，如高溫燃氣輪機燃燒室、渦輪葉片、高溫噴嘴等。柴油發(fā)動機采用碳化硅活塞和氣缸，無需潤滑和冷卻，可減少30-50%的摩擦，大大降低噪音。

       （5）軍事用途：火箭技術(shù)采用燃燒室、碳化硅等陶瓷噴嘴。碳化硅具有平均密度，比Al2O3輕20%，硬度和彈性模量更高，價格低于B4C。它也可用于裝甲車和飛機的腹部，以及防彈和防刺穿服裝。碳化硅材料還具有自潤滑性能，摩擦系數(shù)小，約為硬合金的一半。它具有良好的抗熱振動和高彈性模量，已應(yīng)用于一些特殊場所。例如，高功率激光鏡的性能優(yōu)于銅。CVD和反應(yīng)燒結(jié)的輕質(zhì)碳化硅鏡由于其密度低、剛度好、變形低，廣泛應(yīng)用于航天技術(shù)中。

       (6)電氣工程和電氣工程:碳化硅陶瓷導熱性高，絕緣性好。