碳化硅

自然界中的莫桑石只在某些類型的隕石、剛玉礦牀等中極少量存在。目前世界範圍內出售的碳化硅，包括莫桑石珠寶，大多都是合成的。

1893年，莫桑首次在亞利桑那州的隕石中發現自然存在形式的碳化硅，1905年，將這種材料命名為莫桑石。 ^[5]  但莫桑博士的發現最初受到質疑，因為他的樣品可能被當時市場上已經存在的碳化硅鋸片所污染。 ^[6] 

碳化硅在地球上很罕見，但在太空常見。太空和隕石中發現的碳化硅多是β-SiC。對穆爾奇森隕石中發現的SiC顆粒的分析顯示，其碳和硅的同位素比例異常，表明這些顆粒起源於太陽系外。 ^[7] 

碳化硅是由美國人艾奇遜在1891年電熔金剛石實驗時，在實驗室偶然發現的一種碳化物。當時，艾奇遜試圖製備人造鑽石，當他在鐵碗中加熱黏土（鋁硅酸鹽）和粉狀焦炭（碳）時，形成了藍色晶體，當時誤認為是金剛石的混合體，故取名金剛砂。1893年艾奇遜研究出來了工業冶煉碳化硅的方法，也就是大家常説的艾奇遜爐，一直沿用至今，以碳質材料為爐芯體的電阻爐，通電加熱石英SiO₂和碳的混合物生成碳化硅。

碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個常用的品種，都屬α-SiC。①黑碳化硅含SiC約95%，其韌性高於綠碳化硅，大多用於加工抗張強度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等。②綠碳化硅含SiC約97%以上，自鋭性好，大多用於加工硬質合金、鈦合金和光學玻璃，也用於珩磨汽缸套和精磨高速鋼刀具。此外還有立方碳化硅，它是以特殊工藝製取的黃綠色晶體，用以製作的磨具適於軸承的超精加工，可使表面粗糙度從Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。 ^[9] 

碳化硅由於化學性能穩定、導熱係數高、熱膨脹係數小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末塗布於水輪機葉輪或汽缸體的內壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；用以製成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強度高，節能效果好。低品級碳化硅（含SiC約85%）是極好的脱氧劑，用它可加快鍊鋼速度，並便於控制化學成分，提高鋼的質量。此外，碳化硅還大量用於製作電熱元件硅碳棒。

碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次於世界上最硬的金剛石（10級），具有優良的導熱性能，是一種半導體，高温時能抗氧化。

碳化硅至少有70種結晶型態。α-碳化硅為最常見的一種同質異晶物，在高於2000 °C高温下形成，具有六角晶系結晶構造（似纖維鋅礦）。β-碳化硅，立方晶系結構，與鑽石 ^[13]  相似，在低於2000 °C時生成。在異相催化劑載體的應用上，β-碳化硅因其比α-碳化硅具有更高的比表面積而備受關注。還有另一種碳化硅，μ-碳化硅，最為穩定，碰撞時能發出較為悦耳的聲音。然而到目前為止，這兩種型態的碳化硅還沒有在商業上得到應用。

由於碳化硅的比重為3.1 g/cm³，而且昇華温度相對較高（約2700 °C） ^[1]  ，因此他非常適合做為軸承或高温爐的原料。在任何能達到的壓力下，它都不會熔化，並且具有相當低的化學活性。由於碳化硅熱導性高、崩潰電場強度高，以及擁有最高電流密度，有人嘗試將其用作替代硅的材料，特別是在半導體高功率元件的應用中。此外，碳化硅與微波輻射有很強的耦合作用，並且由於其具有高升華點，使其可應用於加熱金屬。

純碳化硅是無色的，但在工業生產中，由於含有鐵等不純物質的存在，其顏色通常呈棕色至黑色。晶體表面呈現出彩虹般的光澤是因為形成了一層二氧化硅的保護層。 ^[10] 

SiC是一種半導體，通過摻雜改變 SiC 材料的能級結構，並進一步調控其性能，主要使用離子注入手段進行 A、B、N等原子的摻雜。其中:Al等受主原子更容易取代SiC 晶格中的 Si的位置而形成深受主能級，從而得到P型半導體；而 N和P等施主原子更容易佔據 C的晶格位置而形成淺施主能級， ^[11]  從而得到N型半導體。值得注意的是，,SiC具有其他寬帶隙半導體沒有的寬摻雜範圍(1X10¹⁴—1X10¹⁹ cm^-3)， ^[12]  其能在該範圍內輕鬆實現N型和P型摻雜，如使用 AI摻雜後4H-SiC單晶的電阻率低至 5 Ω·cm。

SiC是一種典型的二元化合物半導體材料，其晶體結構的基本單元為一個四重對稱性的四面體，即 SiC₄或CSi₄，相鄰的兩個 Si 原子或兩個 C 原子之間的距離是3.08 Å，而相鄰的C原子和Si原子之間的距離僅約1. 89 Å。 ^[13]  在SiC晶體中，Si和C原子通過在sp³雜化軌道上共享電子對形成非常強的四面體共價鍵(鍵能為4.6 eV)。 ^[16] 

純碳化硅是無色透明的晶體。工業碳化硅因所含雜質的種類和含量不同，而呈淺黃、綠、藍乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結構分為六方或菱面體的 α-SiC和立方體的β-SiC（稱立方碳化硅)。α-SiC由於其晶體結構中碳和硅原子的堆垛序列不同而構成許多不同變體，已發現70餘種。β-SiC於2100℃以上時轉變為α-SiC。α-SiC是最常見的晶型，β-SiC屬立方晶系，又名立方碳化硅。直到現在，β-SiC的商業用途相對較少，儘管由於其比α-SiC具有更高的表面積，可以將其用作多相催化劑的載體。碳化硅的工業製法是用優質石英砂和石油焦在電阻爐內煉製。煉得的碳化硅塊，經破碎、酸鹼洗、磁選和篩分或水選而製成各種粒度的產品。

SiC 晶體材料的發展歷史已有一百多年。1892年，Acheson 發明了一種用二氧化硅、碳合成 SiC 粉體的方法，而在該方法中，人們發現了一種副產物，它是片狀的 SiC 材料，但這些片狀的 SiC 材料純度不高，尺寸較小，無法用來製備半導體器件。直到1955年，Lel 通過昇華技術成功地生長出相對純淨的 SiC 晶體，該製備技術方法也被稱為 Lely 法。然而，由於 Lely 法制備的 SiC 片狀材料尺寸小，性能差異比較大導致其無法成為生長 SiC 單晶的商業技術。1978-1981 期間，Tarov 和 Tsvetkov 在 Lely 法的基礎上進行改進，他們在昇華爐裏引入了一個籽晶，並基於熱力學和動力學方面的考慮，設計了一個合適的温度梯度以控制 SiC 源到籽晶的物質運輸，這種生長工藝被稱為改進的 Lely 法，也稱為籽晶昇華法，或者物理氣相傳輸(PVT)法。人們通過這種方法可以獲得更大直徑和較低擴展缺陷密度的 SiC 晶體。隨着生長工藝的不斷改進，採用該方法已實現產業化的公司有美國的 Cree、Dowcorning，德國的 SiCrystal，日本的Nippon Steel，中國的山東天嶽、天科合達等。 ^[18] 

由於天然含量甚少，碳化硅主要多為人造。常見的方法是將石英砂與焦炭混合，利用其中的二氧化硅和石油焦，加入食鹽和木屑，置入電爐中，加熱到2000°C左右高温，經過各種化學工藝流程後得到碳化硅微粉。

碳化硅(SiC)因其很大的硬度而成為一種重要的磨料，但其應用範圍卻超過一般的磨料。例如，它所具有的耐高温性、導熱性而成為隧道窯或梭式窯的首選窯具材料之一，它所具有的導電性使其成為一種重要的電加熱元件等。製備SiC製品首先要製備SiC冶煉塊[或稱：SiC顆粒料，因含有C且超硬，因此SiC顆粒料曾被稱為：金剛砂。但要注意：它與天然金剛砂（石榴子石）的成分不同。在工業生產中，SiC冶煉塊通常以石英、石油焦等為原料，輔助回收料、乏料，經過粉磨等工序調配成為配比合理與粒度合適的爐料（為了調節爐料的透氣性需要加入適量的木屑，製備綠碳化硅時還要添加適量食鹽)經高温製備而成。高温製備SiC冶煉塊的熱工設備是專用的碳化硅電爐，其結構由爐底、內面鑲有電極的端牆、可卸式側牆、爐心體(全稱為：電爐中心的通電發熱體，一般用石墨粉或石油焦炭按一定的形狀與尺寸安裝在爐料中心，一般為圓形或矩形。其兩端與電極相連）等組成。該電爐所用的燒成方法俗稱：埋粉燒成。它一通電即為加熱開始，爐心體温度約2500℃，甚至更高（2600～2700℃），爐料達到1450℃時開始合成SiC（但SiC主要是在≥1800℃時形成），且放出CO。然而，≥2600℃時SiC會分解，但分解出的Si又會與爐料中的C生成SiC。每組電爐配備一組變壓器，但生產時只對單一電爐供電，以便根據電負荷特性調節電壓來基本上保持恆功率，大功率電爐要加熱約24 h，停電後生成SiC的反應基本結束，再經過一段時間的冷卻就可以拆除側牆，然後逐步取出爐料。 ^[10] 

高温煅燒後的爐料從外到內分別是：未反應料（在爐中起保温作用）、氧碳化硅（半反應料，主要成分是C與SiO)、粘結物層（是粘結很緊的物料層，主要成分是C、SiO2、40%～60%SiC以及Fe、Al、Ca、Mg的碳酸鹽）、無定形物層（主要成分是70%～90% SiC，而且是立方SiC 即 β-sic，其餘是C、SiO2及Fe、A1、Ca、Mg的碳酸鹽）、二級品SiC層（主要成分是90%～95%SiC，該層已生成六方SiC，但結晶體較小、很脆弱，不能作為磨料）、一級品SiC（(SiC含量<96%，而且是六方SiC即-SiC的粗大結晶體）、爐芯體石墨。在上述各層料中，通常將未反應料和一部分氧碳化硅層料作為乏料收集，將氧碳化硅層的另一部分料與無定形物、二級品、部分粘結物一起收集為回爐料，而一些粘結很緊、塊度大、雜質多的粘結物則拋掉。而一級品則經過分級、粗碎、細碎、化學處理、乾燥與篩分、磁選後就成為各種粒度的黑色或綠色的SiC顆粒。要製成碳化硅微粉還要經過水選過程；要做成碳化硅製品還要經過成型與燒結的過程。 ^[9] 

長白山脈、河南、河北石家莊靈壽縣、青海、甘肅、寧夏、新疆、四川、哈爾濱、湖南、貴州、湖北丹江口等地。

①磨料級碳化硅技術條件按GB/T 2480-2008 ^[19]  。各牌號的化學成分由表6-6-47和表6-6-48給出。

②磨料粒度及其組成、磨料粒度組成測定方法：按GB/T2481.2-2009。

GB/T 9258.1-2000|塗附磨具用磨料 粒度分析 第1部分：粒度組成

GB/T 9258.2-2008|塗附磨具用磨料 粒度分析 第2部分：粗磨粒P12～P220粒度組成的測定

GB/T 9258.3-2000|塗附磨具用磨料 粒度分析 第3部分：微粉P240～P2500粒度組成的測定

碳化硅主要有四大應用領域，即：功能陶瓷、高級耐火材料、磨料及冶金原料。碳化硅粗料已能大量供應，不能算高新技術產品，而技術含量極高 的納米級碳化硅粉體的應用短時間不可能形成規模經濟。

⑴ 作為磨料，可用來做磨具，如砂輪、油石、磨頭、砂瓦類等。

⑵ 作為冶金脱氧劑和耐高温材料。

⑶ 高純度的單晶，可用於製造半導體、製造碳化硅纖維。

主要用途：用於3-12英寸單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等線切割。太陽能光伏產業、半導體產業、壓電晶體產業工程性加工材料。

用於半導體、避雷針、電路元件、高温應用、紫外光探測器、結構材料、天文、碟剎、離合器、柴油微粒濾清器、細絲高温計、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護具、催化劑載體等領域。

主要用於製作砂輪、砂紙、砂帶、油石、磨塊、磨頭、研磨膏及光伏產品中單晶硅、多晶硅和電子行業的壓電晶體等方面的研磨、拋光等。 ^[10] 

可用做鍊鋼的脱氧劑和鑄鐵組織的改良劑，可用做製造四氯化硅的原料，是硅樹脂工業的主要原料。碳化硅脱氧劑是一種新型的強複合脱氧劑，取代了傳統的硅粉碳粉進行脱氧，和原工藝相比各項理化性能更加穩定，脱氧效果好，使脱氧時間縮短，節約能源，提高鍊鋼效率，提高鋼的質量，降低原輔材材料消耗，減少環境污染，改善勞動條件，提高電爐的綜合經濟效益都具有重要價值。 ^[9] 

利用碳化硅具有耐腐蝕、耐高温、強度大、導熱性能良好、抗衝擊等特性，碳化硅一方面可用於各種冶煉爐襯、高温爐窯構件、碳化硅板、襯板、支撐件、匣缽、碳化硅坩堝等。

另一方面可用於有色金屬冶煉工業的高温間接加熱材料，如豎罐蒸餾爐、精餾爐塔盤、鋁電解槽、銅熔化爐內襯、鋅粉爐用弧型板、熱電偶保護管等；用於製作耐磨、耐蝕、耐高温等高級碳化硅陶瓷材料；還可以製做火箭噴管、燃氣輪機葉片等。此外，碳化硅也是高速公路、航空飛機跑道太陽能熱水器等的理想材料之一。 ^[9] 

SiC 材料的導熱性與大多數介電固體一樣，主要受熱彈性波（稱為聲子）傳遞的影響。SiC 材料的導熱率主要取決於：1）燒結助劑的數量、化學計量比、化學性質以及相關的晶界厚度和結晶度；2）晶粒尺寸；3）SiC 晶體中雜質原子的類型和濃度；4）燒結氣氛；5）燒結後的熱處理等。SiC 具有高導熱、禁帶寬度大、電子飽和遷移速率高和臨界擊穿電場高等優異性質，其優異的綜合性能彌補了傳統半導體材料與器件在實際應用中的不足，在電動汽車、手機通信芯片等領域具有廣泛的應用前景。由於 SiC 有着更高的可靠性、更高的工作温度，更小的尺寸和更高的電壓承受能力等，可應用於主驅板、車載充電機和電源模塊等功率器件，從而可大幅度提高效率，給電動汽車增加續航能力。同時，SiC 具有良好的導熱性能，使用 SiC 半導體功率器件可以縮小電池尺寸以及更有效地轉換能量，從而降低總成器件的成本。SiC 陶瓷作為一種高性能結構陶瓷材料，具有優異的熱性能，可廣泛應用於耐高温、加熱與熱交換工業領域。 ^[20] 

利用碳化硅的耐腐蝕，抗熱衝擊耐磨損，導熱好的特點，用於大型高爐內襯提高了使用壽命。 ^[10] 

碳化硅硬度僅次於金剛石，具有較強的耐磨性能，是耐磨管道、葉輪、泵室、旋流器、礦鬥內襯的理想材料，其耐磨性能是鑄鐵、橡膠使用壽命的5-20倍也是航空飛行跑道的理想材料之一。 ^[10] 

利用良好的導熱和熱穩定性，作熱交換器，燃耗減少20%，節約燃料35%，使生產率提高20-30%。

磨料粒度及其組成按GB/T2477--83。磨料粒度組成測定方法按GB/T2481--83。 ^[9] 

合成碳化硅（Synthetic Moissanite）又名合成莫桑石、合成碳硅石（化學成分SiC），色散0.104，比鑽石（0.044）大，折射率2.65-2.69（鑽石2.42），具有與鑽石相同的金剛光澤，“火彩”更強，比以往任何仿製品更接近鑽石。 ^[10]