摘要 立方碳化硅又名β-Sic,屬立方晶系(金剛石晶型)。β-Sic的莫氏硬度為9.25--9.6,與金剛石接近,光潔度及拋光性能遠超白剛玉和α-Sic(黑碳化硅和綠碳化硅);在1600...
立方碳化硅又名β-Sic,屬立方晶系(金剛石晶型)。β-Sic的莫氏硬度為9.25--9.6,與金剛石接近,光潔度及拋光性能遠超白剛玉和α-Sic(黑碳化硅和綠碳化硅);在1600℃以上溫度時β-Sic仍具有超高的強度和優異的抗蠕變、抗斷裂性能;作為半導性材料,β-Sic比α-Sic的導電性高幾倍;β-Sic具有優良的熱導率和低膨脹系數,使得其在加熱和冷卻過程中受到的熱應力很小;β-Sic屬于低溫晶型,超過1800℃時可發生晶型轉換;在比重方面,β-Sic比大多數合金小一半,為鋼的40%,與鋁大致相同。β-Sic生產方式目前主要有三種:激光法、等離子法和固相合成法。前兩種工藝主要合成的為納米及亞微米粉末,且由于合成時間短,無法做到顆粒的真正致密,且顆粒純度相對不高;固相合成法目前工藝方式較多,但都具有一定技術難度,就目前國際行業調查來看,真正做到高結晶、高純度、批量化的全球范圍內只有陜西一家企業做到,并已進入市場多年,其他廠家大多停留在理論或實驗階段,產品大多存在β相含量不高、產品雜質多、難以批量生產等多項缺點。
β-SiC的基本性質表

β-SiC微粉有很高的化學穩定性、高硬度、高熱導率、低熱脹系數、寬能帶隙、高電子漂移速度、高電子遷移率、特殊的電阻溫度特性等,因此具有抗磨、耐高溫、耐熱震、耐腐蝕、耐輻射、良好的半導電特性等優良性能,被廣泛應用于電子、信息、精密加工技術、軍工、航空航天、高級耐火材料、特種陶瓷材料、高級磨削材料和和增強材料等領域。其應用范圍主要分為以下幾類:
1.燒結微粉
β-Sic在高級結構陶瓷、功能陶瓷及高級耐火材料市場有著非常廣闊的應用前景。普通碳化硅陶瓷在燒結過程中需要2300℃、2400℃、2500℃,加添加劑后也仍需2100℃才可結晶,而β-Sic在1800℃即可結晶,并且在β-Sic晶型轉換過程中,其體積也會發生變化,對陶瓷燒結致密性能起到良好的作用,從而增加碳化硅陶瓷的韌性和強度等綜合性能。在碳化硼陶瓷制品中加入β-Sic能夠在降低燒結溫度的同時提高產品的韌性,從而使得碳化硼陶瓷性能大幅提高。
2.電子材料
作為半導性材料,β-Sic比α-Sic高幾倍,添加β-Sic后的發電機抗電暈效果非常明顯,同時還具有良好的耐磨、耐高溫性能。純度高的 β-Sic可制成單晶碳化硅晶片,其優異的導電、導熱性使其在軍工、航天、電子行業等高尖端領域用來替代電子級單晶硅和多晶硅。用β-Sic做的電子封裝材料、發熱器、熱交換器等具有高抗熱震性,良好的熱導性,產品性能大幅優于其他材料。
3.特殊涂層
由于β-Sic具有金剛石結構,顆粒呈類球形,具有超耐磨耐腐蝕,超導熱,低膨脹系數等特點,使其在特殊涂層中有著良好的應用。將β-Sic超細粉鍍到普通材料上,其耐磨壽命會大幅提高,比如普通碳鋼的鉆頭鉆10mm鋼板,鉆1-2個孔便出現損壞情況,而涂有β-Sic的鉆頭性能可超過合金鉆頭,可以鉆20~50個孔。鋁合金活塞在汽缸中大量往復運動,很容易磨損,涂覆β-Sic材料后能夠使活塞壽命提高30-50倍。
4.研磨拋光材料
作為精密研磨拋光材料,β-Sic比白剛玉和α-Sic研磨效率高很多,而且能大幅提高產品光潔度。
目前市場上用金剛石做研磨拋光材料較多,其價格是β-Sic的幾十倍甚至幾百倍;但β-Sic在眾多領域中的研磨效果不亞于金剛石,甚至磨不銹鋼、硅片、玻璃的光潔度優于金剛石,價格卻是金剛石的幾十分之一。
用白剛玉做的油石、研磨盤廣泛用于不銹鋼類研磨行業,其拋光性能相對較高,產品使用壽命短;而利用β-Sic做成的研磨材料(油石、研磨盤等),具有光潔度高、磨削力強、壽命長的優勢。比如用白剛玉做的油石拋光軸承,用β-Sic做的油石替代后,光潔度能提高2-3個等級,產品壽命提高5-8倍,而且能大幅降低更換油石次數,從而減少勞動強度、提高生產效率。
β-Sic做的研磨膏、研磨液、高精密砂布砂帶及超耐磨涂層也有著良好的應用前景。
5、高檔特殊添加劑
高分子復合材料及金屬材料中加入β-Sic可以大大提高其導熱性、降低膨脹系數、增加耐磨性等,而且由于β-Sic的比重小,對材料結構重量不造成影響。高強度尼龍材料、特種工程塑料聚醚醚酮(PEEK)、橡膠輪胎、抗壓潤滑油等加入超細β-Sic微粉后,其性能提升非常明顯。
6、C粉添加劑
復印機用C粉在加入β-Sic后,流動性及附著力會有明顯提升,添加量一般在5%左右即可達到良好的效果。
7、其他應用