一.立方碳化硅的簡介

圖1.β-SiC晶體結(jié)構(gòu)

SiC主要包括兩種晶型，α-SiC和β-SiC（如圖1）。其中β-SiC就是立方SiC，在SiC原料制備過程中，3C結(jié)構(gòu)的β-SiC擇優(yōu)形成，甚至有實(shí)驗(yàn)觀察到在1400-1600℃溫度范圍內(nèi)由2H-SiC向3C-SiC的相變，如圖2所示。一般市售的低溫制備的SiC原料都是β-SiC。

圖2.不同溫度下SiC多形體存在示意圖

二.立方碳化硅的特性

β-SiC具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能，具有高強(qiáng)度、高硬度、高熱導(dǎo)率、高燒結(jié)活性、高半導(dǎo)體特性和低熱膨脹系數(shù)。其硬度與金剛石接近，俗稱金剛砂；對樣品進(jìn)行拋光，拋光性能遠(yuǎn)超白剛玉和α-SiC（黑碳化硅和綠碳化硅），樣品表面粗糙度良好；β-SiC由于晶粒中電子空穴缺陷較多、其禁帶寬度小于α-SiC，因此導(dǎo)電性比α-SiC的高幾倍；β-SiC具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)，使得其在加熱和冷卻過程中受到的熱應(yīng)力很??；對SiC多形體的量子計算指出，β-SiC(3C)屬于面心立方結(jié)構(gòu)，是低溫型穩(wěn)定相，在1600℃左右即可發(fā)生β-SiC向α-SiC的相變；低溫下，β-SiC是一種亞穩(wěn)定相，穩(wěn)定相應(yīng)該是2Hα-SiC，之所以β-SiC(3C)在低溫下穩(wěn)定存在，主要是雜質(zhì)的作用。在密度方面，β-SiC比大多數(shù)合金小一半，為鋼的40%，與鋁大致相同。見表1 β-SiC物理特性。

β-SiC制備的方法有多種：激光法、等離子法和固相合成法。激光法、等離子法工藝主要合成納米及亞微米粉體，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；固相合成法工藝方式較多，但都具有一定技術(shù)難度，就國際行業(yè)調(diào)查來看，真正做到高結(jié)晶、高純度、批量化的全球范圍內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)做到，并已進(jìn)入市場多年，其他廠家大多停留在理論或?qū)嶒?yàn)階段，產(chǎn)品大多存在β相含量不高、產(chǎn)品雜質(zhì)多、難以批量生產(chǎn)等多項(xiàng)缺點(diǎn)。

表1.β-SiC的基本性質(zhì)表

三、立方SiC粉體的應(yīng)用

β-SiC粉體有很高的化學(xué)穩(wěn)定性、高硬度、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、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(dǎo)體特性等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，例如：電子、信息、精密加工技術(shù)、軍工、航空航天、高級耐火材料、特種陶瓷材料、高級磨削材料和增強(qiáng)材料等領(lǐng)域。其應(yīng)用范圍主要分為以下幾類：

（1）粉體原料

在高級結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷及高級耐火材料市場有著非常廣闊的應(yīng)用前景。低溫下，β-SiC是一種亞穩(wěn)定相，在1600℃左右即可發(fā)生β-SiC向α-SiC的相變，因此具有一定的燒結(jié)活性，一般SiC陶瓷在燒結(jié)過程中需要2200℃以上，加燒結(jié)助劑后仍需1950℃才可結(jié)晶，而β-SiC在1800℃即可以形成多晶體。同時在β-SiC晶型轉(zhuǎn)換過程中，其體積也會發(fā)生變化，對陶瓷燒結(jié)致密性能起到良好的作用，從而增加碳化硅陶瓷強(qiáng)度，另外β-SiC向α-SiC轉(zhuǎn)變，可以形成棒狀晶粒，SiC陶瓷韌性也得到提高。在碳化硼陶瓷制品中加入β-SiC能夠降低燒結(jié)溫度的同時可以形成棒狀晶粒提高產(chǎn)品的韌性，從而使得碳化硼陶瓷性能大幅提高。

（2）磨拋材料

目前β-SiC主要用途之一就是作為研磨材料（圖3），β-SiC微粉由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、硬度高、耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn)。作為一種游離磨料廣泛應(yīng)用于多種硬脆材料的切片加工過程。尤其是近30年來，隨著科技的進(jìn)步。以β-SiC微粉作為主要切削介質(zhì)的游離磨料線切割技術(shù)在太陽能級硅片的加工領(lǐng)域應(yīng)用日益完善。另外β-SiC比白剛玉和α-SiC研磨效率高很多，而且能大幅提高產(chǎn)品光潔度。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(lǐng)域中的研磨效果不亞于金剛石，甚至在磨不銹鋼、硅片、玻璃的時候光潔度都優(yōu)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(yè)，其拋光性能相對較高，但產(chǎn)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(qiáng)、壽命長的優(yōu)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(chǎn)品壽命提高5-8倍，而且能大幅降低更換油石次數(shù)，從而減少勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)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(yīng)用前景。

圖3.β-SiC磨料

（3）電子材料

作為半導(dǎo)性材料，β-SiC可制作成非線性電阻電子器件（圖4），比如浪涌吸收元件和滅磁電阻元件，其抗電壓性能比α-SiC高幾倍，添加β-SiC后的發(fā)電機(jī)抗電暈效果非常明顯。純度高的 β-SiC可制成單晶SiC晶片，其優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能使其在軍工、航天、電子行業(yè)等高尖端領(lǐng)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(fā)熱器、熱交換器等具有高抗熱震性和良好的導(dǎo)熱性，產(chǎn)品性能大幅優(yōu)于其他材料。

圖4.β-SiC 非線性電阻陶瓷

圖5.β-SiC納米粉體

（4）增強(qiáng)劑

由于β-SiC具有金剛石結(jié)構(gòu)，顆粒呈類球形，具有高耐磨耐腐蝕，高導(dǎo)熱，低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，使其在特殊涂層中有著良好的應(yīng)用前景。各種海工機(jī)械、裝備及零部件在復(fù)雜的海洋環(huán)境中服役，受海水腐蝕、沖蝕磨損，微生物污損等多因素的交互作用，加速了其腐蝕磨損的進(jìn)程，目前現(xiàn)有的防護(hù)技術(shù)仍難以滿足海洋環(huán)境下10年以上的長效防護(hù)要求，有機(jī)涂層，熱噴涂涂層等都已廣泛應(yīng)用于海洋工程裝備的防護(hù)，但在傳統(tǒng)的制備技術(shù)下，涂層的潛在性能基本已挖掘殆盡，很難有大幅度提升，在這些涂料中加入納米SiC（圖4）后，涂層的耐磨性、硬度也得到了顯著改善，提高了其在海洋復(fù)雜多因素耦合環(huán)境下的防護(hù)壽命。另外將添加β-SiC的涂料涂覆到普通材料上，其耐磨壽命會大幅提高。鋁合金活塞在汽缸中大量往復(fù)運(yùn)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。高分子復(fù)合材料及金屬材料中加入β-SiC可以大大提高其導(dǎo)熱性、降低熱膨脹系數(shù)、增加耐磨性等，而且由于β-SiC的比重小，對材料結(jié)構(gòu)重量不造成影響。高強(qiáng)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(xì)β-SiC微粉后，其性能提升非常明顯。

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