碳化硅的晶形结构及粉体制备

碳化硅的晶形结构及粉体制备

文章整理苏州纳朴材料科技有限公司

碳化硅（SiC）作为一种重要的结构陶瓷材料，凭借其优异的高温力学性能、高硬度、高弹性模量、高耐磨性、高导热性、耐腐蚀性等性能，不仅应用于高温窑具、燃烧喷嘴、热交换器、密封环、滑动轴承等传统工业领域，还可作为防弹装甲材料、空间反射镜、半导体晶圆制备中夹具材料及核燃料包壳材料。

碳化硅优异的性能源自于其晶体结构和Si-C键的高度共价键特性（~88%）。碳化硅主要有两种晶型，即低温稳定型的立方晶系β-SiC和高温稳定型的六方晶系α-SiC，如图1所示。β-SiC为面心立方(fcc)闪锌矿结构，围绕每个原子有4个等距离的异类原子，它们排在正四面体的顶角上；α-SiC为纤锌矿结构，其中a原子作六方密堆积，b原子填充在a原子构成的四面体空隙中。这两种晶体结构中SiC的基本单元都是互相穿插的[SiC4]和[CSi4]四面体，通过四面体的平行结合或者反平行结合，四面体共边形成平面层，并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。这种共价键四面体单元结构特点决定了SiC的晶体结构对称性较大，呈现出较强的各向异性，这使得其原子滑移面减少，不易引起变形，即使在高温下也有很高的强度。另外，由于结构单元层具有不同的堆垛方式，在α-SiC中衍生出不同的变体，其中最主要的是4H、6H、15R等，表1列出了SiC多型体的晶格常数。

尽管SiC存在多种多型体，且晶格常数各不相同，但其密度均很接近。β-SiC的密度为3.215g/cm3，各种α-SiC变体的密度基本相同，为3.217g/cm3。β-SiC于2100℃稳定性较好，高于2100℃时β-SiC开始转变为α-SiC，但转变速度很慢，2300-2400℃时转变迅速。β→α转变为单向不可逆，2000℃以下合成的SiC主要为β-SiC；2200℃以上合成的则主要为α-SiC，而且以6H为主。15R变体在热力学上不太稳定，为低温下发生3C→6H转化时生成的中间相，高温下不存在。 

目前较为成熟的工业化制备碳化硅粉末的方法有：

（1） Acheson法：将高纯度石英砂或粉碎后的石英矿，与石油焦炭、石墨或无烟煤细分均匀混合，通过石墨电极产生的高温加热至2000℃以上使其发生反应合成α-SiC粉体；

（2） 二氧化硅的低温碳热还原法：将二氧化硅细粉与碳粉混合后，在1500~1800℃进行碳热还原反应，获得纯度较高的β-SiC粉末，此方法类似于Acheson法，其差别在于合成温度较低，产生的晶体结构是β型，但还存在残留的未反应的碳和二氧化硅，所以需要有效的脱硅脱碳处理；

（3） 硅碳直接反应法：金属硅粉与碳粉直接反应，在1000~1400℃生成高纯β-SiC粉。α-SiC粉体是目前碳化硅陶瓷产品的主要原料，而具有金刚石结构的β-SiC多用于制备精密研磨抛光材料。