碳化硅

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鍊碳化硅的方法，也就是大家常說的艾奇遜爐，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。

關於碳化硅的幾個事件

1905年 第一次在隕石中發現碳化硅。

1907年 第一隻碳化硅晶體發光二極體誕生。

1955年 理論和技術上重大突破，LELY提出生長高品質碳化概念，從此將SiC作為重要的電子材料。

1958年 在波士頓召開第一次世界碳化硅會議進行學術交流。

1978年 六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯進行研究。到1978年首次採用“LELY改進技術”的晶粒提純生長方法。

1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生產線，供應商開始提供商品化的碳化硅基。

碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個常用的基本品種，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，自銳性好，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。

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佈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%）是極好的脫氧劑，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，高溫時能抗氧化。

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高溫下形成，具有六角晶繫結晶構造（似纖維鋅礦）。β-碳化硅，立方晶繫結構，與鑽石相似，則在低於2000 °C生成，結構如頁面附圖所示。雖然在異相觸媒擔體的應用上，因其具有比α型態更高之單位表面積而引人注目，而另一種碳化硅，μ-碳化硅最為穩定，且碰撞時有較為悅耳的聲音，但直至今日，這兩種型態尚未有商業上之應用。

因其3.2g/cm 的比重及較高的升華溫度（約2700 °C） ，碳化硅很適合做為軸承或高溫爐之原料物件。在任何已能達到的壓力下，它都不會熔化，且具有相當低的化學活性。由於其高熱導性、高崩潰電場強度及高最大電流密度，在半導體高功率元件的應用上，不少人試著用它來取代硅。此外，它與微波輻射有很強的耦合作用，並其所有之高升華點，使其可實際應用於加熱金屬。

純碳化硅為無色，而工業生產之棕至黑色系由於含鐵之不純物。晶體上彩虹般的光澤則是因為其表面產生之二氧化硅保護層所致。

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。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。

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左右高溫，經過各種化學工藝流程后得到碳化硅微粉。

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，它所具有的耐高溫性、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冶鍊塊[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(也稱：石榴子石)的成分不同。在工業生產中，SiC冶鍊塊通常以石英、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)經高溫製備而成。高溫製備SiC冶鍊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，爐心體溫度約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。

高溫煅燒后的爐料從外到內分別是：未反應料(在爐中起保溫作用)、氧碳化硅羼(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、SiO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即口一SiC，但結晶體較小、很脆弱，不能作為磨料)、一級品SiC層(SiC含量<96%，而且是六方SiC即口一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棄之。而一級品則經過分級、粗碎、細碎、化學處理、乾燥與篩分、磁選后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結燒的過程。

中國有碳化硅冶鍊企業200多家，年生產能力220多萬噸（其中：綠碳化硅塊120多萬噸，黑碳化硅塊約100萬噸）。冶鍊變壓器功率大多為6300~12500kVA，最大冶鍊變壓器為32000kVA。加工制砂、微粉生產企業300多家，年生產能力200多萬噸。2012年，中國碳化硅產能利用率不足45%。約三分之一的冶鍊企業有加工制砂微粉生產線。碳化硅加工制砂微粉生產企業主要分佈在河南、山東、江蘇、吉林、黑龍江等省。

中國碳化硅冶鍊生產工藝、技術裝備和單噸能耗達到世界領先水平。黑、綠碳化硅原塊的質量水平也屬世界級。中國碳化硅與世界先進水平的差距主要集中在四個方面：一是在生產過程中很少使用大型機械設備，很多工序依靠人力完成，人均碳化硅產量較低；二是在碳化硅深加工產品上，對粒度砂和微粉產品的質量管理不夠精細，產品質量的穩定性不夠；三是某些尖端產品的性能指標與發達國家同類產品相比有一定差距；四是冶鍊過程中一氧化碳直接排放。國外主要企業基本實現了封閉冶鍊，而中國碳化硅冶鍊幾乎全部是開放式冶鍊，一氧化碳全部直排。2012年，中國企業開發出了封閉冶鍊技術，實現了一氧化碳全部回收，但是距離全行業普及還有很長的路要走。

根據中國機床工業協會磨料磨具專委會碳化硅專家委員會的數據，截至2012年底，全球碳化硅產能達260萬噸以上，產能達到1萬噸以上的國家有13個，佔全球總產能的98%。其中中國碳化硅產能達到220萬噸，佔全球總產能的84%。

中國碳化硅冶鍊企業主要分佈在甘肅、寧夏、青海、新疆、四川等地，約佔總產能85%。

2012年在中國經濟發展速度放緩的情況下，生產情況普遍不理想，加之光伏企業舉步維艱，碳化硅作為耐材、磨料和光伏行業的基礎原材料，出口和內銷均大幅下滑。綠碳化硅微粉加工企業更是身陷光伏企業的債務鏈條，多數冶鍊企業沒有開工，或者短暫開工后即停產。

2012年全年中國黑碳化硅產能沒有正常釋放，一方面是成交緩慢，庫存消耗慢，佔壓資金量大，另一方面是下遊行業消費商回款時間長，欠款現象嚴重，導致某些企業資金鏈緊張。

2012年中國黑碳化硅的主產地為寧夏和甘肅，青海和新疆的原有產能逐漸被淘汰，加上湖北丹江口弘源的冶鍊產能，共計76.9萬噸， 2012年總產量約為34萬噸，黑碳化硅冶鍊企業的產能利用率約為44.5%。

中國綠碳化硅冶鍊的主產地是甘肅、青海、新疆和四川。四川主要靠水力發電站供電，受到枯水期電力短缺的影響，一年的生產時間只在4-10月份，最長能堅持6個月的生產，但四川的冶鍊爐幾乎沒有正常開工，主要因為市場需求疲軟，庫存難以消耗。2012年前三季度，中國鋼鐵廠開工率較低，只有到10月份以後鋼廠增加了開工率，對原料和耐火材料的消耗才略有增加，消耗了部分庫存。

據海關統計顯示：2012年全年，中國碳化硅出口16.47萬噸，同比下降23.83%，出口2.75億美元，同比下降44.28%，出口平均價格1671.53美元/噸，同比下降26.84%。出口量價大幅度下降。全年領證量合計17.1萬噸，佔全年出口量的104%。生產的碳化硅主要的出口國家有美國、日本、韓國、及某些歐洲國家。

2010-2012年中國全年碳化硅出口情況：噸；萬美元；美元/噸

從出口的20個省市分析，比2011年增加了一個新疆。出口數量在萬噸以上的省市分別依次為寧夏、河南、江蘇、北京、遼寧和山東，合計出口量11.8萬噸，占出口總量的71.64%，市場份額分別為18.21%、12.99%、12.71%、11.4%、9.72%和6.61%，六個省市出口數量均呈下滑態勢，其中寧夏同比下滑幅度最高，為32.62%；從出口單價看，同比下滑幅度最大的是遼寧，達35.3%，寧夏和江蘇的單價同比下滑也高於全國平均數。

2012年中國碳化硅主要出口省市統計：噸；萬美元；美元/噸

中國碳化硅出口市場以亞洲和北美洲為主，出口份額分別佔到全球出口份額的70.25%和23.76%，共出口到59個國別和地區，比2011年增加了6個。出口數量在千噸以上的國別和地區依次為日本、美國、韓國、台灣、泰國、新加坡、印度、土耳其、墨西哥和德國，這10個國家和地區的合計出口數量為15.26萬噸，占出口總量的92.64%。其中位列前四名的國別和地區出口數量佔比分別為30.55%、23.25%、15.5%和13.63%，四個國別和地區的出口量之和占出口總量的82.93%。除韓國出口數量同比增長85.5%外，土耳其和德國的數量同比增長引人注目，但主銷國別和地區數量同比還是有較大程度下滑，其中對日本和美國的出口數量下滑幅度均達約40%。

2012年中國碳化硅主要出口市場分布圖：噸；萬美元；美元/噸

從出口 13個關別分析，天津港走貨量高達9.16萬噸，占出口總量的55.64%，仍位列第一；青島、大連、南京和上海港分別佔15.98%、13.14%、11.49%和3.08%，位列第二至五位，其中大連關出貨量同比下滑幅度最高；以上5個關別出口量總和占出口總量的99.33%。

2012年中國碳化硅主要出口關別統計：噸；萬美元；美元/噸

從各月出口情況分析，出口量上半年逐月提高，下半年跳躍較大，但當月平均單價一降再降，第二季度全面跌破2000美元，三季度末止跌回穩，但只在9月站上了2000美元，便又在第四季度一路下滑，全年最低價格出現在11月，為1345.58美元/噸，比全年2月的最高價格下跌了42.1%。

從出口的123家出口企業分析，出口數量在2000噸以上的企業有29家，這29家出口量之和為11.77萬噸，占出口總量的71.4%；這29家主營企業除2家出口價格有所上升外，其他均有大幅下滑，單價降幅最高的達73.6%；出口數量在1000-2000噸位之間的企業有12家，出口量之和為1.6萬噸，佔比為9.79%；另有32家企業出口數量在100噸以下，32家出口量之和只佔出口總量的0.27%。

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/T2480—96。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

碳化硅製品可以分為很多類，根據不同的使用環境，分為不同的種類。一般使用到機械上比較多。例如使用到機械密封件上，可以稱為碳化硅密封環，可以分為靜環、動環、平環等。也可以根據客戶的特別要求，製作出各種形狀的碳化硅製品，例如碳化硅異形件，碳化硅板，碳化硅環等。

碳化硅的製品之一的碳化硅陶瓷具有的高硬度、高耐腐蝕性以及較高的高溫強度等特點，這使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應用。

在應用在密封環上：碳化硅陶瓷的耐化學腐蝕性好、強度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦係數小，且耐高溫，因而是製造密封環的理想材料。它與石墨材料組合配對時，其摩擦係數比氧化鋁陶瓷和硬質合金小，因而可用於高PV值，特別是輸送強酸、強鹼的工況中使用。我公司生產的SIC-1型碳化硅常壓燒結製品，具有密度高、硬度高、生產批量大、可生產複雜形狀製品的特點，適用於高性能的密封件中使用，特別是高 PV 值及耐強酸、強鹼的工況。而我公司生產的SIC-3型碳化硅陶瓷製品是含石墨的碳化硅材料。由於在碳化硅基體中含有大量的彌散細小的石墨顆粒，與其它材料配對使用時，其摩擦係數非常小，具有良好的自潤滑性能，特別適用於製作氣密封或有干摩擦工況的密封件中使用，從而使密封件的使用壽命及工作的可靠性提高。

應用範圍

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作為冶金脫氧劑和耐高溫材料。

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、高溫應用、紫外光偵檢器、結構材料、天文、碟剎、離合器、柴油微粒濾清器、細絲高溫計、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護具、觸媒擔體等領域。

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。

可用做鍊鋼的脫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。碳化硅脫氧劑是一種新型的強複合脫氧劑，取代了傳統的硅粉碳粉進行脫氧，和原工藝相比各項理化性能更加穩定，脫氧效果好，使脫氧時間縮短，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。

利用碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、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鍊爐襯、高溫爐窯構件、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鍊工業的高溫間接加熱材料，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、耐高溫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。

利用碳化硅具有耐高溫，強度大，導熱性能良好，抗衝擊，作高溫間接加熱材料，如堅罐蒸餾爐，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。

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。

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、礦斗內襯的理想材料，其耐磨性能是鑄鐵。橡膠使用壽命的5--20倍&def也是航空飛行跑道的理想材料之一。

利用其導熱係數、熱輻射、高熱強度大的特性，製造薄板窯具，不僅能減少窯具容量，還提高了窯爐的裝容量和產品質量，縮短了生產周期，是陶瓷釉面烘烤燒結理想的間接材料。

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%，特別是礦山選廠用排放輸送管道的內放，其耐磨程度是普通耐磨材料的6--7倍。

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。

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。這是由美國北卡羅來那州的C3公司製造生產的，已擁有世界各國生產合成碳化硅的專利，正在向全世界推廣應用。

噴砂除銹

該品採用棕剛玉微粉經高強壓力擠壓，高溫燒結成型，硬度適中，乾淨清潔，不易破碎.，反覆多次使用，噴砂效果好。

1、鋼鐵、鋼管、鋼結構不鏽鋼製品的表面亞光處理，噴塗前噴砂除銹處理。

2、用於各種模具的清理。

3、可清除各類機件拉應力，增加疲勞壽命。

4、半導體器件、塑封對管上錫前的清理去除邊刺。

5、醫療器械、紡織機械及各類五金製品的噴丸強化光飾加工。

6、各種金屬管、有色金屬精密鑄件的清理及去除毛刺殘渣。

高鋁噴丸（剛玉球）的產品特性：

1、軟硬兼備—採用優質材料生產而成，即有一定的機械強度，AL2O3含量大於等於68﹪，硬度可達6-7莫氏，又有足夠的彈性，可反覆使用數次，不易破碎，所噴器件效果相同，比普通金剛砂的使用壽命長3倍以上。

2、均勻度好—成圓率大於等於80﹪，粒度均勻，噴后使噴砂器件各處亮度係數保持均勻，不易留下水印。奧凱磨料。