碳化矽的合成

1.碳化矽的冶煉方法 合成碳化矽所用的原料主要是以SiO2為主要成分的脈石英或石英砂與以C為主要成分的石油焦，低檔次的碳化矽可用地灰分的無煙煤為原料。輔助原料為木屑和食鹽。

碳化矽有黑、綠兩種。冶煉綠碳化矽時要求矽質原料中SiO2含量盡可能高，雜質含量盡量低。生產黑碳化矽時，矽質原料中的SiO2可稍低些。對石油焦的要求是固定碳含量盡可能高，灰分含量小於1.2%，揮發分小於12.0%，石油焦的粒度通常在2mm或1.5mm以下。木屑用於調整爐料的透氣性能，通常的加入量為3%~5%（體積）。食鹽僅在冶煉綠碳化矽時使用。

矽質原料與石油焦在2000~2500℃的電阻爐內通過以下反應生成碳化矽：

SiO2+3C→SiC+2CO↑-526.09Kj

CO通過爐料排出。加入食鹽可與Fe、Al等雜質生成氯化物而揮發掉。木屑使物料形成多孔燒結體，便於CO氣體排出。

碳化矽形成的特點是不通過液相，其過程如下：約從1700℃開始，矽質原料由砂粒變為熔體，進而變為蒸汽（白煙）；SiO2熔體和蒸汽鑽進碳質材料的氣孔，滲入碳的顆粒，發生生成Sic的反應；溫度升高至1700~1900℃時，生成b-SiC；溫度進一步升高至1900~2000℃時，細小的b-SiC轉變為a-SiC，a-SiC晶粒逐漸長大和密實；爐溫再升至2500℃左右，SiC開始分解變為矽蒸汽和石墨。

大規模生產碳化矽所用的方法有艾奇遜法和 ESK法。

艾奇遜法 傳統的艾奇遜法電阻爐的外形像一個長方形的槽子，它是有耐火磚砌成的爐床。兩組電極穿過爐牆深入爐床之中，專用的石墨粉爐芯體配置在電極之間，提供一條導電通道，通電時下產生很大的熱量。爐芯體周圍裝盛有矽質原料、石油焦和木屑等組成的原料，外部為保溫料。

熔煉時，電阻爐通電，爐芯體溫度上升，達到2600℃左右，通過爐芯體表面傳熱給周圍的混合料，使之發生反應生成碳化矽，並逸出CO氣體。一氧化碳在爐表面燃燒生成二氧化碳，形成一個柔和、起伏的藍色至黃色火焰氈被，一小部分為燃燒的一氧化碳進入空氣。待反應完全並冷卻後，即可拆除爐牆，將爐料分層分級揀選，經破碎後獲得所需粒度，通過水洗或酸堿洗、磁選等除去雜質，提高純度，再經幹燥、篩選即得成品。

艾奇遜法設備簡單、投資少，廣泛為石階上冶煉SiC的工廠所采用。但該法的主要缺點在於無法避免粉塵和廢氣造成的汙染，冶煉過程排出的廢氣無法收集和再利用，無法減輕取料和分級時的繁重體力勞動，同時爐子的長度也不夠，通常僅幾米至幾十米長，生產經濟性不高。

ESK法 1973年，德國ESK公司對艾奇遜法進行了改進，發展了ESK法。Esk法的大型SiC冶煉爐建立在戶外，沒有端牆和側牆，直線性或U型電極位於爐子底部，爐長達60m，用聚乙烯袋子進行密封以回收爐內逸出的氣體，提取硫後將其通過管道小型火電廠發電。該爐可采用成本低、活性高、易反應的高硫分石油焦或焦炭作為原料，將原料硫含量由原來的1.5%提高到5.0%。

2.碳化矽粉末的合成方法 合成碳化矽粉末的方法主要有固相法、液相法和氣相法三種。

固相法是通過二氧化矽和碳發生碳熱還原反應或矽粉和炭黑細粉直接在惰性氣氛中發生反應而制得碳化矽細粉。可以通過機械法將艾奇遜法或ESK法冶煉的碳化矽加工成SiC細粉。目前該方法制得的細粉表面積1~15m2/g,氧化物含量1.0%左右，金屬雜質含量1400~2800ppm（1ppm=10-6）。其細度和成分取決於粉碎、酸洗等後續處理工藝和手段。碳化矽粉末也可以由豎爐或高溫回轉窯連續化生產，可獲得高質量的b-SiC粉體。SiO2細粉與碳粉混合料在豎爐的惰性氣氛中，在低於2000℃的溫度下發生熱還原反應，合成b-SiC粉體。所獲得的SiC的粒度為微米級。但往往含有非反應的SiO2和C，需進行後續的酸洗和脫碳處理。利用高溫回轉窯也可生產出高質量的SiC細粉。

液相反應法可制備高純度、納米級的SiC微粉，而且產品均勻性好，是一種具有良好發展前景的方法。液相反應法制備SiC微粉主要分為溶膠-凝膠法和聚合物熱分解法等。溶膠-凝膠法制備SiC微粉的核心是通過溶膠-凝膠反應過程，形成Si和C在分子水平上均勻分布的混合物或聚合物固體，升溫過程中，首先形成SiO2和C的均勻混合物，然後在1400~1600℃溫度下發生碳熱還原反應生成SiC。

聚合物熱分解法主要是指加熱聚矽烷等聚合物，放出小單體，形成Si-C骨架。由熱解法制備的SiC均為b-SiC。如果熱解溫度低於1100℃，則為無定形SiC。

氣相法是用含矽的原料和含碳的原料通過氣相反應生成SiC。根據加熱方式的不同可分為電阻爐和火焰加熱法、等離子和電弧加熱法、激光加熱法等。

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