碳化硅（silicon carbide），化學式為SiC，屬于共價鍵材料，C和Si同屬一族，均有四價的化合鍵，同時Si元素還具有金屬特性，兩種元素組成的物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)上具有網(wǎng)狀、體型特點，性質(zhì)上擁有高的強度，故碳化硅材料性能是良好的高溫強度、耐磨性、耐腐蝕性、高熱導、高絕緣性。

結(jié)構(gòu)決定性能，越高的性能，就要求碳化硅材質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)的的精細化，因此其制備方法成為高性能碳化硅材料獲取的關鍵。

一、碳化硅粉體的制備方法

碳化硅粉體的制備方法，既有傳統(tǒng)的固相反應法，又有最新的溶膠-凝膠（sol-gel）法、激光法、等離子法，本文從大體上按氣、固、液三項對常用的方法進行分類如下。

1.固相法

1.1.碳熱還原法

該法由Acheson發(fā)明，具體方法：在Acheson電爐中，石英砂中的二氧化硅被碳還原制得碳化硅，該法獲得的碳化硅顆粒較粗，耗電量大，反應方程式為：

SiO₂+3C=SiC+2CO

隨后各國對Acheson法進行了改進，如潘順龍等^[1]，利用炭黑和水玻璃溶液為原料，氫氣為保護氣，在高溫石墨爐中1550℃條件下反應5小時，得到碳化硅粉體。

1.2.碳-硅直接反應法

1.2.1.自蔓延高溫合成法（SHS）

外加熱源點燃反應物坯體，利用材料在合成過程中放出的化學反應熱來自行維持合成過程。

SiO₂+C+2M_g-SiC+2M_gO

此法獲得的粉體純度高，粒度小，但需要酸洗等工序除去M_g。

1.2.2.機械合金化法

楊曉云等^[2]將碳粉和硅粉按照1:1的摩爾比制成混合粉末，磨球和磨粉按質(zhì)量比40:1封裝在氬氣罐中，在球磨機上進行機械球磨，25小時后得到平均晶粒尺寸約為6nm的碳化硅粉體。

2.液相法

2.1.溶膠-凝膠法

該法以液體化學試劑配制成Si的醇鹽前驅(qū)體，將它在低溫下溶于溶劑形成均勻的溶液，加入適當?shù)哪虅┦沟么见}發(fā)生水解、聚合反應后生成均勻而穩(wěn)定的溶膠體系，再經(jīng)過長時間放置或干燥處理，濃縮成Si和C在分子水平上的混合物或聚合物，繼續(xù)加熱形成組分均勻且粒徑細小的SiO₂和C的兩相混合物，在1460~1600℃發(fā)生碳還原反應最終制得SiC細粉。

2.2.聚合物分解法

Chinag等^[3]采用聚合物熱解方法形成玻璃碳浸入液態(tài)硅制備碳化硅陶瓷材料，采用三乙烯乙二醇、二羥基乙基醚和糠醇樹脂混合物，在有機酸的催化作用下發(fā)生聚合和糠醇相分離，然后熱解，形成微孔碳，最后液態(tài)硅燒結(jié)并去除游離硅。制得碳化硅粉體。

3.氣相法

3.1.氣相反應沉淀法

楊修春等^[4]對SiH₄-C₂H₄-H₂體系在1423~1673K進行研究，制得平均粒徑為11nm的碳化硅。

3.2.等離子法

于威等^[5]利用等離子體化學氣相沉淀法制備了碳化硅。

3.3.激光誘導氣相法

戰(zhàn)可濤等^[6]以SiH₄和C₂H₄為原料氣體，制備出平均粒徑為20nm。

二、碳化硅粉體的應用

如上所述，碳化硅粉體具有高溫強度、耐磨性、耐腐蝕性、高熱導、高絕緣性等性能，而性能決定應用，碳化硅粉體的應用方向主要有以下幾類：

1.磨料-磨具

利用其高耐溫性及耐磨性，常常用于制作磨料-磨具。在藝術上，碳化硅是現(xiàn)代寶石因耐久性和材料成本低流行的磨料。在制造業(yè)中，它用于磨削、珩磨、水射流切割和噴砂等磨料加工過程中的硬度。碳化硅顆粒復合紙制造砂紙和滑板的握把帶。

2.結(jié)構(gòu)材料

在高溫窯爐中，碳化硅用作支撐和擱置材料，如燒制陶瓷、玻璃熔凝或玻璃澆鑄。以及生產(chǎn)一種新的用于航空、航天、汽車和微電子的強塑性合金。

3.汽車零部件

硅滲透碳-碳復合材料用于高性能的“陶瓷”剎車盤，因為它能夠承受極端溫度。碳化硅也用于燒結(jié)形成柴油微粒過濾器。SiC還用作潤滑油添加劑以減少摩擦，廢氣排放。

4.鑄造坩堝

利用碳化硅的耐高溫特性，用于執(zhí)照熔融金屬的坩堝。

5.電氣系統(tǒng)

最早應用在電氣系統(tǒng)的是避雷器。碳化硅具有電壓依賴性的電阻，因此高壓電力線和地球之間連接有碳化硅顆粒柱。

6.電子電路元件

碳化硅是第一個商業(yè)上重要的半導體材料。晶體收音機“金剛砂”（合成碳化硅）探測器二極管是1906年發(fā)明的。

7.電力電子器件

SiC芯片比硅功率器件的功率密度更高，能夠處理的溫度超過150°C。

8.發(fā)光二極管

SiC是一個重要的LED組件-它是一種流行的襯底，它也可以作為大功率LED的一個散熱片。

9.天文學

利用其低熱膨脹系數(shù)、高硬度、高剛性和導熱性，碳化硅成為天文望遠鏡的理想鏡面材料。

10.細絲高溫計

碳化硅纖維用于測量氣體的溫度在光學技術稱為細絲高溫計。它包括在熱氣流中放置細絲。

11.加熱元件

碳化硅可作為玻璃、陶瓷、電子元件等的加熱元件，如生產(chǎn)燃氣加熱器的指示燈點火器。

12.珠寶

作為寶石飾品，碳化硅被稱為“合成碳硅石”或者是“碳化硅”。

13.鋼鐵生產(chǎn)

碳化硅，溶解在煉鋼用的基本氧氣爐中，起到燃料的作用。

14.催化劑載體

碳化硅表現(xiàn)出的天然抗氧化性，以及新的合成立方β-碳化硅形式的新方法，具有較大的比表面積，引起了人們對非均相催化劑載體的極大興趣。

15.石墨烯生產(chǎn)

碳化硅被用來在高溫下石墨化生產(chǎn)石墨烯。這被認為是一種在實際應用中大規(guī)模合成石墨烯的方法。

作者：Avlon

參考文獻

[1] 潘順龍，楊巖峰，張敬杰，等. 水玻璃包覆炭黑直接制備超細碳化硅粉體[J]. 硅酸鹽學報，2005，33（8）:980-985.

[2] 楊曉云，黃震威. 球磨碳化硅粉末合成納米碳化硅的高分辨電鏡觀察[J]. 金屬學報，2000，36（7）：684-688.

[3] Chinag Y, Messnar P, Terwilliger C D. Reaction formed silicon carbide[J]. Mater. Sci. Eng., 1991,144:63-74.

[4] 楊修春，韓高榮.化學氣相反應法制備納米碳化硅粉的研究[J].功能材料，1998，29（5）：523-526.

[5] 于威，王保柱，孫運濤，等. 螺旋波等離子體化學氣相沉淀法制備納米碳化硅薄膜[J].人工晶體學報，2003，32（3）：272-275.

[6] 戰(zhàn)可濤，線全鋼，鄭豐等.激光法制備高純納米碳化硅粉體及其產(chǎn)率[J].北京化工大學學報，2002，29（5）：75-78.