碳化硅，是一种无机物，化学式为SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅是一种半导体，在自然界中以极其罕见的矿物莫桑石的形式存在。自1893年以来已经被大规模生产为粉末和晶体，用作磨料等。在C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅是应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。 中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体。
- 中文名
- 碳化硅 [2]
- 外文名
- silicon carbide [2]
- 别 名
- 硅化碳; 一碳化硅 [1]
- 化学式
- SiC [2]
- 分子量
- 40.096 [2]
- CAS登录号
- 409-21-2 [2]
- EINECS登录号
- 206-991-8 [2]
- 水溶性
- 不溶
- 密 度
- 3.21 g/cm³ [3]
- 外 观
- 黄色至绿色，至蓝色至黑色晶体，取决于其纯度。
- 应 用
- 用于磨料、耐磨剂、磨具、高级耐火材料，精细陶瓷
- 安全性描述
- S26；S36 [2]
- 危险性符号
- R36/37/38 [2]
- 熔点（升华）
- 2700 ℃ [3]
- 熔点（分解）
- 2830 ℃ [4]
自然界中的莫桑石只在某些类型的陨石、刚玉矿床等中极少量存在。目前世界范围内出售的碳化硅，包括莫桑石珠宝，大多都是合成的。
1893年，莫桑首次在亚利桑那州的陨石中发现自然存在形式的碳化硅，1905年，将这种材料命名为莫桑石。 [5]但莫桑博士的发现最初受到质疑，因为他的样品可能被当时市场上已经存在的碳化硅锯片所污染。 [6]
碳化硅在地球上很罕见，但在太空常见。太空和陨石中发现的碳化硅多是β-SiC。对穆尔奇森陨石中发现的SiC颗粒的分析显示，其碳和硅的同位素比例异常，表明这些颗粒起源于太阳系外。 [7]
碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物。当时，艾奇逊试图制备人造钻石，当他在铁碗中加热黏土（铝硅酸盐）和粉状焦炭（碳）时，形成了蓝色晶体，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂。1893年艾奇逊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，一直沿用至今，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。
时间 | 历史历史 |
1905年 | 第一次在陨石中发现碳化硅。 |
1907年 | 第一只碳化硅晶体发光二极管诞生。 |
1955年 | 理论和技术上重大突破，LELY提出生长高品质碳化概念，从此将SiC作为重要的电子材料。 |
1958年 | 在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流。 |
1978年 | 六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。到1978年首次采用“LELY改进技术”的晶粒提纯生长方法。 |
1987年～至今 | 以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的碳化硅基。 |
2023年5月4日 | 2023年5月4日，记者今天从中科院物理所获悉，该所科研团队在碳化硅材料产业化方面再迎进展：国际知名半导体企业英飞凌科技近日发布公报称，已与中国碳化硅材料供应商天科合达签订一份长期供货协议，以维护整体供应链稳定。后者正是中科院物理所产学研合作的产物。 [8] |
碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的品种，都属α-SiC。①黑碳化硅含SiC约95%，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。②绿碳化硅含SiC约97%以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。此外还有立方碳化硅，它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体，用以制作的磨具适于轴承的超精加工，可使表面粗糙度从Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。 [9]
碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好。低品级碳化硅（含SiC约85%）是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。
碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。
碳化硅至少有70种结晶型态。α-碳化硅为最常见的一种同质异晶物，在高于2000 °C高温下形成，具有六角晶系结晶构造（似纤维锌矿）。β-碳化硅，立方晶系结构，与钻石 [13]相似，在低于2000 °C时生成。在异相催化剂载体的应用上，β-碳化硅因其比α-碳化硅具有更高的比表面积而备受关注。还有另一种碳化硅，μ-碳化硅，最为稳定，碰撞时能发出较为悦耳的声音。然而到目前为止，这两种型态的碳化硅还没有在商业上得到应用。
由于碳化硅的比重为3.1 g/cm3，而且升华温度相对较高（约2700 °C） [1]，因此他非常适合做为轴承或高温炉的原料。在任何能达到的压力下，它都不会熔化，并且具有相当低的化学活性。由于碳化硅热导性高、崩溃电场强度高，以及拥有最高电流密度，有人尝试将其用作替代硅的材料，特别是在半导体高功率元件的应用中。此外，碳化硅与微波辐射有很强的耦合作用，并且由于其具有高升华点，使其可应用于加热金属。
纯碳化硅是无色的，但在工业生产中，由于含有铁等不纯物质的存在，其颜色通常呈棕色至黑色。晶体表面呈现出彩虹般的光泽是因为形成了一层二氧化硅的保护层。 [10]
SiC是一种半导体，通过掺杂改变 SiC 材料的能级结构，并进一步调控其性能，主要使用离子注入手段进行 A、B、N等原子的掺杂。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级，从而得到P型半导体；而 N和P等施主原子更容易占据 C的晶格位置而形成浅施主能级， [11]从而得到N型半导体。值得注意的是，,SiC具有其他宽带隙半导体没有的宽掺杂范围(1X1014—1X1019 cm-3)， [12]其能在该范围内轻松实现N型和P型掺杂，如使用 AI掺杂后4H-SiC单晶的电阻率低至 5 Ω·cm。
多型体 | 3C(β) | 4H | 6H(α) |
晶体结构 | 闪锌矿 （立方） | 六方 | 六方 |
点群 | T2d-F3m | C46v-P63mc | C46v-P63mc |
Pearson符号 | cF8 | hP8 | Hp12 |
晶格常数(Å) | 4.3596 | 3.0730; 10.053 | 3.0810; 15.12 |
密度(g/cm3) | 3.21 | 3.21 | 3.21 |
带隙(eV) | 2.36 | 3.23 | 3.05 |
体积模量(GPa) | 250 | 220 | 220 |
导热系数(W⋅m−1⋅K−1)@ 300 K | 320 | 348 | 325 [14-15] |
主要SiC多型体的晶体结构 [16]SiC是一种典型的二元化合物半导体材料，其晶体结构的基本单元为一个四重对称性的四面体，即 SiC4或CSi4，相邻的两个 Si 原子或两个 C 原子之间的距离是3.08 Å，而相邻的C原子和Si原子之间的距离仅约1. 89 Å。 [13]在SiC晶体中，Si和C原子通过在sp3杂化轨道上共享电子对形成非常强的四面体共价键(键能为4.6 eV)。 [16]
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。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。α-SiC是最常见的晶型，β-SiC属立方晶系，又名立方碳化硅。直到现在，β-SiC的商业用途相对较少，尽管由于其比α-SiC具有更高的表面积，可以将其用作多相催化剂的载体。碳化硅的工业制法是用优质石英砂和石油焦在电阻炉内炼制。炼得的碳化硅块，经破碎、酸碱洗、磁选和筛分或水选而制成各种粒度的产品。
SiC的二元相图（105 Pa） [17]SiC 晶体材料的发展历史已有一百多年。1892年，Acheson 发明了一种用二氧化硅、碳合成 SiC 粉体的方法，而在该方法中，人们发现了一种副产物，它是片状的 SiC 材料，但这些片状的 SiC 材料纯度不高，尺寸较小，无法用来制备半导体器件。直到1955年，Lel 通过升华技术成功地生长出相对纯净的 SiC 晶体，该制备技术方法也被称为 Lely 法。然而，由于 Lely 法制备的 SiC 片状材料尺寸小，性能差异比较大导致其无法成为生长 SiC 单晶的商业技术。1978-1981 期间，Tarov 和 Tsvetkov 在 Lely 法的基础上进行改进，他们在升华炉里引入了一个籽晶，并基于热力学和动力学方面的考虑，设计了一个合适的温度梯度以控制 SiC 源到籽晶的物质运输，这种生长工艺被称为改进的 Lely 法，也称为籽晶升华法，或者物理气相传输(PVT)法。人们通过这种方法可以获得更大直径和较低扩展缺陷密度的 SiC 晶体。随着生长工艺的不断改进，采用该方法已实现产业化的公司有美国的 Cree、Dowcorning，德国的 SiCrystal，日本的Nippon Steel，中国的山东天岳、天科合达等。 [18]
由于天然含量甚少，碳化硅主要多为人造。常见的方法是将石英砂与焦炭混合，利用其中的二氧化硅和石油焦，加入食盐和木屑，置入电炉中，加热到2000°C左右高温，经过各种化学工艺流程后得到碳化硅微粉。
碳化硅(SiC)因其很大的硬度而成为一种重要的磨料，但其应用范围却超过一般的磨料。例如，它所具有的耐高温性、导热性而成为隧道窑或梭式窑的首选窑具材料之一，它所具有的导电性使其成为一种重要的电加热元件等。制备SiC制品首先要制备SiC冶炼块[或称：SiC颗粒料，因含有C且超硬，因此SiC颗粒料曾被称为：金刚砂。但要注意：它与天然金刚砂（石榴子石）的成分不同。在工业生产中，SiC冶炼块通常以石英、石油焦等为原料，辅助回收料、乏料，经过粉磨等工序调配成为配比合理与粒度合适的炉料（为了调节炉料的透气性需要加入适量的木屑，制备绿碳化硅时还要添加适量食盐)经高温制备而成。高温制备SiC冶炼块的热工设备是专用的碳化硅电炉，其结构由炉底、内面镶有电极的端墙、可卸式侧墙、炉心体(全称为：电炉中心的通电发热体，一般用石墨粉或石油焦炭按一定的形状与尺寸安装在炉料中心，一般为圆形或矩形。其两端与电极相连）等组成。该电炉所用的烧成方法俗称：埋粉烧成。它一通电即为加热开始，炉心体温度约2500℃，甚至更高（2600～2700℃），炉料达到1450℃时开始合成SiC（但SiC主要是在≥1800℃时形成），且放出CO。然而，≥2600℃时SiC会分解，但分解出的Si又会与炉料中的C生成SiC。每组电炉配备一组变压器，但生产时只对单一电炉供电，以便根据电负荷特性调节电压来基本上保持恒功率，大功率电炉要加热约24 h，停电后生成SiC的反应基本结束，再经过一段时间的冷却就可以拆除侧墙，然后逐步取出炉料。 [10]
高温煅烧后的炉料从外到内分别是：未反应料（在炉中起保温作用）、氧碳化硅（半反应料，主要成分是C与SiO)、粘结物层（是粘结很紧的物料层，主要成分是C、SiO2、40%～60%SiC以及Fe、Al、Ca、Mg的碳酸盐）、无定形物层（主要成分是70%～90% SiC，而且是立方SiC 即 β-sic，其余是C、SiO2及Fe、A1、Ca、Mg的碳酸盐）、二级品SiC层（主要成分是90%～95%SiC，该层已生成六方SiC，但结晶体较小、很脆弱，不能作为磨料）、一级品SiC（(SiC含量<96%，而且是六方SiC即-SiC的粗大结晶体）、炉芯体石墨。在上述各层料中，通常将未反应料和一部分氧碳化硅层料作为乏料收集，将氧碳化硅层的另一部分料与无定形物、二级品、部分粘结物一起收集为回炉料，而一些粘结很紧、块度大、杂质多的粘结物则抛掉。而一级品则经过分级、粗碎、细碎、化学处理、干燥与筛分、磁选后就成为各种粒度的黑色或绿色的SiC颗粒。要制成碳化硅微粉还要经过水选过程；要做成碳化硅制品还要经过成型与烧结的过程。 [9]
长白山脉、河南、河北石家庄灵寿县、青海、甘肃、宁夏、新疆、四川、哈尔滨、湖南、贵州、湖北丹江口等地。
①磨料级碳化硅技术条件按GB/T 2480-2008 [19]。各牌号的化学成分由表6-6-47和表6-6-48给出。
②磨料粒度及其组成、磨料粒度组成测定方法：按GB/T2481.2-2009。
GB/T 9258.1-2000|涂附磨具用磨料 粒度分析 第1部分：粒度组成
GB/T 9258.2-2008|涂附磨具用磨料 粒度分析 第2部分：粗磨粒P12～P220粒度组成的测定
GB/T 9258.3-2000|涂附磨具用磨料 粒度分析 第3部分：微粉P240～P2500粒度组成的测定
碳化硅主要有四大应用领域，即：功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。碳化硅粗料已能大量供应，不能算高新技术产品，而技术含量极高 的纳米级碳化硅粉体的应用短时间不可能形成规模经济。
⑴ 作为磨料，可用来做磨具，如砂轮、油石、磨头、砂瓦类等。
⑵ 作为冶金脱氧剂和耐高温材料。
⑶ 高纯度的单晶，可用于制造半导体、制造碳化硅纤维。
主要用途：用于3-12英寸单晶硅、多晶硅、砷化钾、石英晶体等线切割。太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业工程性加工材料。
用于半导体、避雷针、电路元件、高温应用、紫外光探测器、结构材料、天文、碟刹、离合器、柴油微粒滤清器、细丝高温计、陶瓷薄膜、裁切工具、加热元件、核燃料、珠宝、钢、护具、催化剂载体等领域。
主要用于制作砂轮、砂纸、砂带、油石、磨块、磨头、研磨膏及光伏产品中单晶硅、多晶硅和电子行业的压电晶体等方面的研磨、抛光等。 [10]
可用做炼钢的脱氧剂和铸铁组织的改良剂，可用做制造四氯化硅的原料，是硅树脂工业的主要原料。碳化硅脱氧剂是一种新型的强复合脱氧剂，取代了传统的硅粉碳粉进行脱氧，和原工艺相比各项理化性能更加稳定，脱氧效果好，使脱氧时间缩短，节约能源，提高炼钢效率，提高钢的质量，降低原辅材材料消耗，减少环境污染，改善劳动条件，提高电炉的综合经济效益都具有重要价值。 [9]
利用碳化硅具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性，碳化硅一方面可用于各种冶炼炉衬、高温炉窑构件、碳化硅板、衬板、支撑件、匣钵、碳化硅坩埚等。
另一方面可用于有色金属冶炼工业的高温间接加热材料，如竖罐蒸馏炉、精馏炉塔盘、铝电解槽、铜熔化炉内衬、锌粉炉用弧型板、热电偶保护管等；用于制作耐磨、耐蚀、耐高温等高级碳化硅陶瓷材料；还可以制做火箭喷管、燃气轮机叶片等。此外，碳化硅也是高速公路、航空飞机跑道太阳能热水器等的理想材料之一。 [9]
SiC 材料的导热性与大多数介电固体一样，主要受热弹性波（称为声子）传递的影响。SiC 材料的导热率主要取决于：1）烧结助剂的数量、化学计量比、化学性质以及相关的晶界厚度和结晶度；2）晶粒尺寸；3）SiC 晶体中杂质原子的类型和浓度；4）烧结气氛；5）烧结后的热处理等。SiC 具有高导热、禁带宽度大、电子饱和迁移速率高和临界击穿电场高等优异性质，其优异的综合性能弥补了传统半导体材料与器件在实际应用中的不足，在电动汽车、手机通信芯片等领域具有广泛的应用前景。由于 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电压承受能力等，可应用于主驱板、车载充电机和电源模块等功率器件，从而可大幅度提高效率，给电动汽车增加续航能力。同时，SiC 具有良好的导热性能，使用 SiC 半导体功率器件可以缩小电池尺寸以及更有效地转换能量，从而降低总成器件的成本。SiC 陶瓷作为一种高性能结构陶瓷材料，具有优异的热性能，可广泛应用于耐高温、加热与热交换工业领域。 [20]
利用碳化硅的耐腐蚀，抗热冲击耐磨损，导热好的特点，用于大型高炉内衬提高了使用寿命。 [10]
碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能，是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器、矿斗内衬的理想材料，其耐磨性能是铸铁、橡胶使用寿命的5-20倍也是航空飞行跑道的理想材料之一。 [10]
利用良好的导热和热稳定性，作热交换器，燃耗减少20%，节约燃料35%，使生产率提高20-30%。
磨料粒度及其组成按GB/T2477--83。磨料粒度组成测定方法按GB/T2481--83。 [9]
合成碳化硅（Synthetic Moissanite）又名合成莫桑石、合成碳硅石（化学成分SiC），色散0.104，比钻石（0.044）大，折射率2.65-2.69（钻石2.42），具有与钻石相同的金刚光泽，“火彩”更强，比以往任何仿制品更接近钻石。 [10]
