中國(guó)粉體網(wǎng)迅 在諸多陶瓷品種中，碳化硅陶瓷是一種性能非常突出的材料。它最初是一種人造材料，但是后來經(jīng)過科學(xué)家的考察發(fā)現(xiàn)，從隕石和地殼中也可以提取出碳化硅這種化合物。碳化硅，顧名思義，是由碳和硅兩種元素組成的，它的化學(xué)分子式為SiC。近幾年來，碳化硅陶瓷的身影出現(xiàn)在航空航天、機(jī)械工業(yè)、電子等多領(lǐng)域。簡(jiǎn)單的化學(xué)組成卻擁有著優(yōu)異的產(chǎn)品性能，因此，研究碳化硅的性能與應(yīng)用對(duì)于社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展具有十分重要的意義。
碳化硅晶型結(jié)構(gòu)
碳化硅材料具有硬度大、耐磨損、彈性模量高等特性，這些特性大部分取決于其高度共價(jià)鍵性及穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。碳化硅有β和α兩種晶體結(jié)構(gòu)，β-SiC為面心立方的閃鋅礦結(jié)構(gòu)，α-SiC為六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)。α-SiC因其結(jié)構(gòu)單元層的不同堆垛方式衍生出2H、4H、6H、15Ｒ等多型體，其中工業(yè)上應(yīng)用最廣的是6H多型體。
盡管SiC存在很多種多型體，且晶格常數(shù)各不相同，但其密度均很接近。β-SiC的密度為3.215g/cm3，各種α-SiC的變體的密度基本相同，為3.217g/cm3。β-SiC通常被稱為“低溫改性”，是一種室溫下的亞穩(wěn)相，在高于2100℃的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiC中的一種或多種多型體，且轉(zhuǎn)變是不可逆的。15Ｒ變體在熱力學(xué)上不太穩(wěn)定，是發(fā)生β-SiC→6H-SiC轉(zhuǎn)化時(shí)生成的中間相，高溫下不存在。另外，制備碳化硅粉體時(shí)在2000℃以下合成的SiC主要為β型，在2200℃以上合成的主要為α-SiC，而且以6H為主。
碳化硅粉末制備
目前較為成熟的工業(yè)化制備碳化硅粉末的方法有：
(1)Acheson法，將高純度石英砂或粉碎后的石英礦，與石油焦炭、石墨或無(wú)煙煤細(xì)粉均勻混合，通過石墨電極產(chǎn)生的高溫加熱至2000℃以上使其發(fā)生反應(yīng)合成α-SiC粉體。
(2)二氧化硅的低溫碳熱還原法，將二氧化硅細(xì)粉與碳粉混和后，在1500～1800℃溫度下進(jìn)行碳熱還原反應(yīng)，獲得純度較高的β-SiC粉末，此方法類似于Acheson法，其差別在于合成溫度較低，產(chǎn)生的晶體結(jié)構(gòu)是β型，但還存在殘留的未反應(yīng)的碳和二氧化硅，所以需要有效的脫硅脫碳處理。
(3)硅碳直接反應(yīng)法，金屬硅粉與碳粉直接反應(yīng)，在1000～1400℃生成高純?chǔ)?SiC粉。α-SiC粉體是目前碳化硅陶瓷產(chǎn)品的主要原料，而具有金剛石結(jié)構(gòu)的β-SiC多用于制備精密研磨拋光材料。
碳化硅的應(yīng)用
碳化硅有黑色碳化硅和綠色碳化硅兩個(gè)常用的基本品種，都屬α-SiC。①黑色碳化硅含SiC約95%（w），其韌性高于綠色碳化硅，大多用于加工抗張強(qiáng)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綠色碳化硅含SiC約97%（w）以上，自銳性好，大多用于加工硬質(zhì)合金、鈦合金和光學(xué)玻璃，也用于研磨汽缸套和精磨高速鋼刀具。此外還有立方碳化硅，它是以特殊工藝制取的黃綠色晶體，用以制作的磨具適于軸承的超精加工，可使表面粗糙度從Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。
在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，碳化硅可作為電動(dòng)汽車中充電模塊和電動(dòng)模塊中的重要材料，具有簡(jiǎn)化供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、提高供電頻率、降低器件升溫、縮小器件體積，提高效率等優(yōu)良作用。
在新型顯示器方面，碳化硅單晶可用于LED器件的制作，具有如高亮度，高壽命，高顯色指數(shù)，低能耗等優(yōu)點(diǎn)。并且相比于藍(lán)寶石基LED，碳化硅LED設(shè)備可使成本降低一半左右，導(dǎo)熱能力大大提高，因此對(duì)于節(jié)能減排具有重大意義。
在電催化方面，碳化硅材料可代替鉑作為燃料電池的新型催化劑，由于其穩(wěn)定性高所以可用作高穩(wěn)定的催化劑，但同時(shí)碳化硅在可控性可操作性方面的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。
在航空航天領(lǐng)域，碳化硅是制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要材料，優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、韌性高、耐高溫，壽命長(zhǎng)等。
有色冶金方面，碳化硅的力學(xué)性能好，耐腐蝕性強(qiáng)，可作為耐火材料應(yīng)用于冶金設(shè)備襯里材料；同時(shí)耐腐蝕性耐熱性能好，也被應(yīng)用于機(jī)械密封；由于硬度高、耐磨損，也可作為裝置噴嘴等。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，碳化硅優(yōu)越的半導(dǎo)體特性為眾多的器件所采用，在高溫高頻高功率等大功率醫(yī)用器械領(lǐng)域有著巨大的潛力。由于SiC材料繼承了C材料的固有的生物相容性，同時(shí)兼具增強(qiáng)復(fù)合材料的高韌性和高強(qiáng)度特點(diǎn)且抗疲勞特性好、彈性模量與骨相當(dāng)，是一種極具潛力的骨修復(fù)和骨替代生物惰性材料；但由于其表面還未發(fā)現(xiàn)更有利于骨替代的特殊表面化學(xué)性質(zhì)，所以目前對(duì)于碳化硅生物陶瓷做骨替代材料的研究較少。
小結(jié)：
碳化硅陶瓷材料擁有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)和物理性能，不僅在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，而且在半導(dǎo)體、核能、國(guó)防及空間技術(shù)等高科技領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷拓展，應(yīng)用前景十分廣闊。期待在不久的將來，碳化硅陶瓷能夠?yàn)槿祟惖纳畎l(fā)揮更多的作用。
參考來源：
1、肖星火.碳化硅陶瓷性能及研究進(jìn)展
2、李辰冉，謝志鵬等.國(guó)內(nèi)外碳化硅陶瓷材料研究與應(yīng)用進(jìn)展
3、都興紅，仇知等.碳化硅的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望
4、高金星，李麗亞等.骨替代生物陶瓷材料的研究現(xiàn)狀
5、趙加強(qiáng).大功率醫(yī)用SiC變溫氧化模型及其MOS電容的電學(xué)特性
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
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