碳化硅（英文名：硅 碳化物），分子式為SiC，是一種非金屬化合物。其是由碳、硅原子以共價鍵形式連接形成。碳化硅的外觀顏色依據純度有黃色、綠色和藍黑色。依據其結構特點，因此碳化硅具有耐磨性強、彈性模量高、硬度強、耐腐蝕等特性， 碳化硅不溶于水，但能溶于熔融堿和鐵水，其被廣泛應用于磨料、耐火材料、化工等多個領域。自然界發現的碳化硅含量較低，工業上所使用的碳化硅幾乎都是人工合成的。
發現歷史
碳化硅最早是伯澤里烏斯在1824年從硅化鉀還原中制備出了碳化硅。1891年美國化學家艾奇遜在制造人造金剛石時，在電極末端和裝在鐵碗中的黏土與焦炭混合物中發現了這種硬度僅次于金剛石的化合物，并首先以工業規模合成出這種人造礦物。
1904年法國人莫瓦桑首次在美國亞歷山大州的隕石里發現了這種物質，后來在金伯利巖中也有所發現，但含量甚微，沒有開采價值。為紀念天然碳化硅的發現者，天然碳化硅也被稱為莫瓦桑石。工業上所使用的碳化硅幾乎都是人工合成產品。
物質結構
硅-碳四面體是碳化硅晶體結構的基本單元，硅原子處于中心位置，四周被碳原子所包圍,在晶體中硅含量約為70%，而碳含量約占30%。共價鍵是碳化硅晶體最主要的結合方式，共價鍵占到其中的88%。
共價鍵是四種分子基本鍵型結合力最強的，而在碳化硅晶體中碳原子和硅原子之間互相成鍵結合時，在殼層上發生了電子轉移，從而形成了sp3雜化，使得碳化硅結構更為穩固，具有了類似金剛石的結構特點。在硅的密集六方堆疊上，緊靠的是一層碳原子堆疊。碳化硅晶體，都是由碳-硅層相間堆疊而成，而不同的是堆疊的次序，平行堆積或者反平行堆積因此碳化硅是典型的具有多種晶型的化合物。
碳化硅主要分為兩種結晶結構，一種是六方或菱面體結構,命名為α-SiC，通常被稱為六方碳化硅，還有一種是閃鋅礦型的立方碳化硅被稱為β-SiC。而后還發現在β-SiC中還存在有大量的多晶型。β-SiC于2100 ℃以上時轉變為α-SiC。
理化性質
物理性質
碳化硅密度為3.21g/cm-3，不溶于水，易溶于鐵水與熔融的氫氧化鈉和氫氧化鉀。碳化硅通常不具有一般意義上的熔點和沸點，其相變特性以分解溫度描述，且分解溫度的具體數值受測量環境和試樣純度影響。碳化硅的實際分解溫度約為2200℃（其熔點約為2700℃），在分解溫度下會發生升華現象。
熱膨脹系數
碳化硅的熱膨脹系數與其他磨料及高溫材料相比要小得多。當溫度范圍在25至1400℃之間時碳化硅的平均熱膨脹系數可大致取4.4×10-5/℃作為粗略計算。
導熱系數
碳化硅的導熱系數很高。通常在工程上計算時，碳化硅的導熱系數可取0.015~0.023卡/厘米·℃·秒。因其所具有的較低的熱膨脹系數和較高導熱系數，使得在以其為原料做制件過程中，加熱或冷卻時中受到的熱應力較小。
導電性?
對于碳化硅的電阻溫度特性，在極大范圍的溫度內，與金屬的電阻溫度特性恰好相反。隨著溫度的不斷升高，高純度地碳化硅的電阻率下降。但含雜質的碳化硅電阻率與溫度有著十分復雜的的關系。含有雜質鋁的碳化硅的伏安特性曲線具有非線性，碳化硅的導電性能隨電場強度的增大而迅速增大，可做半導體材料。
硬度、研磨能力與韌性
碳化硅其本身的晶體結構特點決定了碳化硅具有硬度大、耐磨損韌性強的特質。碳化硅的硬度極強，僅低于幾種超硬的材料。碳化硅的硬度范圍廣泛，是碳化硅晶體的硬度和它的晶軸方向。不同的晶面方向，碳化硅的硬度差別較大，且隨著溫度升高，硬度逐漸下降。碳化硅其自身的形狀等因素都對碳化硅的韌性有影響。
色澤
不含雜質純凈的碳化硅應是無色透明的。工業上使用的碳化硅由無色至綠色、綠色至藍色，而后乃至黑色。碳化硅其呈色的不同，大多與其純度有關。依據研究得出，硼能使碳化硅呈黑色，當碳化硅晶體中含有較多碳時，其顏色也為黑色。而鋁對碳化硅結晶體呈色有極大影響，它能使碳化硅呈現出棕黑色或黑色。
化學性質
化學穩定性與氧化性
碳化硅的氧化性和其本身的化學穩定性具有十分緊密的關系。依據熱力學計算來說，碳化硅本身是極易氧化的，但碳化硅的時間氧化圖呈拋物線形，是由于當溫度達到一定高度時，其氧化生成的二氧化硅形成了一層薄膜，逐漸阻礙氧化過程。在空氣中的氧化過程，當溫度在800℃時碳化硅就已經開始發生氧化，反應緩慢。而隨著反應溫度的不斷攀升，氧化速率迅速提高。
而當溫度達到1600 ℃左右時,氧化作用幾乎停滯，這是由于生成的二氧化硅層達到一定厚度，從而對碳化硅起到保護作用，阻礙氧化的繼續進行。而在氧氣中碳化硅的氧化速度與空氣中相比要快1.6倍。
與酸、堿反應
碳化硅的抗堿性較差，是由于二氧化硅是弱酸性氧化物。因此在1000℃以上的高溫下，碳化硅容易與熔融的堿以及堿金屬硫酸鹽發生反應，所以以碳化硅為原料的產品不適合用水玻璃來做結合劑。
因為二氧化硅保護層的存在，碳化硅的抗酸性能力極強，2000 ℃以下碳化硅一般不會與酸性溶劑反應，強酸也不易。把碳化硅和HCl、HF、H2SO4、HNO3等一起加熱也不發生作用。
而濃磷酸(比重1.75)在相當低的溫度下(200~250℃)已能分解碳化硅。經研究證實，磷酸在這里只起到侵入氧化保護層而使碳化硅不斷水解的作用。產生的氣體有氫氣、甲烷和二氧化碳，膠狀物有二氧化硅，磷酸并未變化。
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硝酸與氫氟酸混合物能溶解碳化硅，這是因為氫氟酸能除去碳化硅氧化所形成的二氧化硅的緣故。堿金屬或堿土金屬氧化物在高溫下與二氧化硅結合成流動性較好的硅酸鹽，故對碳化硅也起破壞作用。如 CaO、MgO在1000 ℃就能侵蝕碳化硅。
其他反應
氯能氧化碳化硅，在高溫時非常強烈。分解產物是氯化硅(SiCl4)蒸氣。殘存的碳保持著原來碳化硅的外形,經射線結構分析，證實為無定形碳而不是石墨。
在高溫下碳化硅與水蒸氣能發生十分劇烈的反應，當溫度達到1100 ℃以上時，依據不同的反應情況，生成硅、碳或二氧化硅。
當溫度達到1000 ℃左右時，碳化硅能與含硫化合物反應生成紅棕色的硫化硅。這一反應也是碳化硅制品在燒成時色澤變紅的原因之一。
制備方法
碳化硅在自然界產出極少，工業中應用主要靠人工制取。人工制造方法主要有以下幾種：碳、硅直接合成法，碳還原二氧化硅合成法，氣相沉積法等。
碳還原二氧化硅法
其反應式為:
當溫度約在1400℃時，其反應產物為低溫型的β-SiC，反應結晶非常細小，當溫度上升至2100 ℃后，產物逐漸轉化成高溫型的α-SiC。當升至2600 ℃以上時，碳化硅發生明顯的升華分解，揮發出硅蒸氣，而殘留下石墨。所以一般選擇反應的最終溫度為1900~2200 ℃。反應合成的產物為塊狀結晶聚合體，需粉碎成不同粒度的顆粒或粉料，同時除去其中的雜質。
在工業大規模冶煉碳化硅常運用的是艾奇遜法和 ESK法：
傳統艾奇遜法電阻爐由耐火磚砌成的爐床。通過爐芯體表面傳熱至周圍的混合料，發生化學反應，合成碳化硅。此方法投資成本小、設備簡單，大多煉制碳化硅的均使用該方法，但其煉制過程容易造成粉塵和廢氣污染，有一氧化碳、二氧化硫、硫化氫等廢氣產生。
ESK冶煉法是1973年由德國Elektroschmelzerk Kempten GmbH 公司(簡寫ESK)創造的，設計了一種新型的冶煉爐并改進了艾奇遜工藝。其采用底板式電極，冶煉時產生出的廢氣經集氣管收集后可用于發電，既解決了廢氣污染問題又回收了20%的電能。
氣相沉積法
而為了獲得更高純度的碳化硅，可使用氣相沉積法，即利用氯化硅、苯與氫的混合蒸氣，通過熾熱的石墨棒，從而發生氣相反應，生成的碳化硅就沉積在石墨表面。
其反應式為：
應用領域
因為碳化硅其本身所具有的特殊物理、化學特性，其應用領域十分廣泛。在磨料、耐火材料、化工、航空航天等領域都有其應用的身影。其中的磨料和耐火材料是碳化硅最主要的用途。
磨料
因為碳化硅所具有的高硬度、化學穩定性強還具有一定的韌性的特性，因此被廣泛作為磨料使用。作為切割和研磨玻璃、陶瓷等抗張強度低的材料的磨具，多用黑碳化硅制成,黑碳化硅也可用做鑄鐵零件和有色金屬材料的磨具。而用做鎢鋼、光學玻璃的磨具,大多用綠碳化硅制成。
耐火材料
因其具有的不易被氧化的化學性質以及抗熱震性和高熔點(分解溫度)的特點，也被廣泛用做耐火材料。作為耐火材料，碳化硅可在化工設備的制造中作為石油氣化器、脫硫爐爐襯的原料；在金屬冶煉時用做液體金屬輸送管道、冶煉爐的爐襯、熔煉金屬堝等。還可在鋼鐵冶煉時作為需要防腐蝕、抗磨損部位的冶煉設備的制品，在硅酸鹽工業中作為窯爐的棚板，在航天工業上作為火箭發動機的尾噴管和高溫燃氣透平葉片原料。
化工
在化工領域，作為冶煉鋼鐵脫氧劑是碳化硅最主要的用途之一。其發生的作用過程為，在熔融的鋼水中碳化硅發生分解，而后與熔融的鋼水中游離的氧原子和金屬氧化物發生反應而生成一氧化碳氣體及其一些含硅的廢料，從而保證鋼鐵冶煉的純凈性，提高產品純度。
在化工方面碳化硅的另一重要用途是生產制造四氯化硅。以碳化硅和氯氣為原料，四氯化硅是硅樹脂工業的重要原料。
電工
在電工方面，碳化硅主要是用作加熱元件、電阻、二極管、晶體管和熱敏器件。
因碳化硅的卓越性能和碳化硅器件的優良特性，使得碳化硅在電力電子器件研究方面蓬勃發展。碳化硅不僅能提高器件的耐壓能力，更重要的是其所具有的大幅度降低功率損耗的潛能。與硅和相比，碳化硅在兼顧器件功率和頻率的同時，還能耐高溫，在極大程度上提高了電子器件的性能。
半導體
作為高效發光半導體的制作原料，碳化硅已經經歷過了大量的實驗和研究。在1923年時，就已經發現碳化硅能產生通電發光的現象。碳化硅之所以能發光是由于通過雜質能級的間接復合，其是一種間接帶隙半導體材料。從而得出若想改變發光的波長，則通過在碳化硅中加入各種不同的雜質，而光波也可覆蓋到從紅到紫的各種色光，制成發光二極管。
核能
由于碳化硅及碳化硅的復合材料都具有良好的耐高溫性和耐輻照性，使得碳化硅逐漸在核燃料元件的制造上被重視而得到廣泛應用。隨著核能的研究不斷深入，核能的第四代系統被研發出來且被商業化發展，而需要適用于第四代核能系統的燃料元件也相繼被不斷開發出來。新型燃料元件的制作材料也應隨之更新換代，因其對包殼的材料提出了更高的要求。特別是當高溫氣冷堆TRISO型包覆顆粒被成功研發﹐因為碳化硅其本身所具有的的優良特性，而成為了制作和設計新型燃料元件的包殼和基體材料的熱點關注。而關于碳化硅能核能領域的廣泛應用仍在不斷探索中。
汽車
在處理汽車尾氣方面，碳化硅材料的具有極高的耐熱溫度和導熱系數，而且碳化硅能使汽車在處理尾氣時的機械強度大幅提高，從而使得尾氣的處理過程能適應更加惡劣的再生環境，是良好的汽車尾氣過濾裝置。除此之外，還能作為功能性材料用做汽車離合器、剎車片等需要高溫耐磨的部件的制作原料。
其他
研究表明碳化硅膜在還能用于對香煙萃取液凈化過程中。40nm碳化硅超濾膜對造紙法再造煙葉萃取液具有良好的處理效果，膜后的萃取液基本達到了無渣的效果。且過膜后濃縮液大部分中性致香成分含量都有所提高，從而改善了產品的感官吸味，使得香氣質和香氣量均有提高，對喉嚨的刺激變小。碳化硅高硬度、低熱膨脹系數的特性是良好的天文望遠鏡鏡面材料，其天然的抗氧化性使其常作為催化劑使用。除此之外還能用于版畫制作、石墨烯生產、珠寶配飾等。
安全事宜
消防安全
碳化硅不可燃，當周圍環境著火時，可使用適當的滅火劑進行滅火。
健康安全
碳化硅可能存在對人類致癌的風險。短期內接觸碳化硅可能引起機械性刺激，吸入會引發咳嗽，接觸眼睛后會發紅，產生疼痛。其擴散速度極快，能迅速達到空氣中顆粒物公害污染濃度。
急救措施
若碳化硅接觸眼睛應立即使用大量水沖洗，若佩戴了隱形眼鏡，在條件允許的情況下，先摘除隱形眼鏡，而后就醫。當吸入大量碳化硅，應立即到空曠場地呼吸新鮮空氣。
參考資料 >
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