碳化矽材料
碳化矽是現代工業的重要原料。應用領域包括先進的SiC陶瓷、磨料、防滑、半導體等,我們來看看它是如何發展起來的。
原子等級NO。碳和矽的分別是6和14。它們分別在元素週期表中的碳族元素的第二和第三週期。這種位置關係意味著它們在某些方面具有相似的屬性。
碳在我們的生活中無處不在,含碳化合物是生命的物質基礎。矽在地殼中也很豐富,尤其是在半導體和現代通訊中的應用,促進了人類文明的發展。
在化學的世界裡,碳和矽就像是同胞兄弟。他們在地球上共存了億萬年,卻沒有結成生死攸關的深厚友誼。碳化矽礦石在自然界中非常罕見。
1824年,瑞典科學家Jons Jakob Berzelius在合成金剛石時觀察到碳化矽(SiC)的存在,拉開了人類研究碳化矽材料的序幕。直到1891年,美國人EG Acheson在做熔融金剛石實驗時意外得到了碳化矽。當時,科學家們認為這種材料是鑽石的混合物。所以他們稱之為碳化矽金剛砂。
1893年,艾奇遜發明了一種工業冶煉碳化矽的方法,也就是人們常說的艾奇遜爐,一直沿用至今。該方法與以碳質材料為芯體的電阻爐相同,將石英SiO2和碳的混合物通電加熱生成碳化矽。
元素 C 和 Si 聯手使碳化矽成為具有許多優異化學和物理特性的材料:
卓越的化學惰性
高硬度
高強度
低熱膨脹係數
高導熱性
一種半導體
純碳化矽是一種透明晶體。工業碳化矽因雜質的種類和含量不同,呈淡黃色、綠色、藍色,甚至黑色。同時,透明度隨其純度而變化。碳化矽的晶體結構分為六方或菱面體α-SiC和立方β-SiC(立方碳化矽)。由於 C 和 Si 的不同堆疊結構,α-SiC 構成了許多不同的變體。SiC有70多種。
碳化矽材料的常見應用是碳化矽陶瓷。具有硬度高、耐腐蝕、高溫強度高等特點。如今,碳化矽的應用已從最早的磨料發展到軸承、半導體、航空航天、化學等諸多領域。由於化學物質與微通道內壁的接觸表面積很大,因此微反應器對內壁的材料有非常嚴格的要求。微通道反應器也成為碳化矽的重要應用。