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磨料磨具

綠碳化硅磨料

發布時間:17-01-09 17:03  來源:www.neworderknights.com


定義:
碳化硅(SiC)俗稱金剛砂,是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。目前我國工業生產的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種,均為六方晶體,比重為3.20~3.25,顯微硬度為2840~3320kg/mm2。綠碳化硅微粉是指利用JZFZ設備來進行超細粉碎分級的微米級碳化硅粉體。它是硅與碳相鍵結而成的陶瓷狀化合物,碳化硅在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。
 
產品簡介:
綠碳化硅是以石英砂(SIO2)和石油焦(C)及氯化鈉(NAC1)為基本原料在攝氏1800度以上高溫條件下生成的非金屬礦產品。它具有硬度高、膨脹系數小、性脆、導熱性好等特點。廣泛應用于磨料磨具、電子產品研磨、耐火材料、特種陶瓷、泡沫陶瓷、涂料塑料添加改性、汽車配件、軍工航空、煉鋼用脫氧劑等。綠碳化硅微粉呈綠色,晶體結構,硬度高,切削能力較強,化學性質穩定,導熱性能好。微觀形狀呈六方晶體,碳化硅的莫氏硬度為9.2,威氏顯微硬度為3000--3300公斤/毫米,努普硬度為2670—2815公斤/毫米,顯微硬度3300千克每立方毫米。在磨料中硬度高于剛玉而僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼。密度一般認為是3.20克/毫米3,其碳化硅磨料的自然堆積密度在1.2--1.6克/毫米3之間,比重為3.20~3.25,自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。將碳化硅粉末燒結可得到堅硬的陶瓷狀碳化硅顆粒,并可將之用于諸如汽車剎車片、離合器和防彈背心等需要高耐用度的材料中,在諸如發光二極管、早期的無線電探測器之類的電子器件制造中也有使用。如今碳化硅被廣泛用于制造高溫、高壓半導體。通過Lely法能生長出大塊的碳化硅單晶。人造莫桑石的寶石就是通過切割由Lely法制備的大塊碳化硅單晶來獲得的。

綠碳化硅特點:
一. 綠碳化硅的硬度與韌性
   綠碳化硅的硬度介于剛玉和金剛石之間。新莫氏硬度為13級,威氏硬度為3100~3400kg/mm以上的硬度是不相同的。 
   綠碳化硅的硬度也隨溫度的升高而下降,但各溫度下的硬度值仍大于剛玉,
   綠碳化硅磨料的韌性值反映了顆粒狀綠碳化硅在外力作用下破碎的難易程度?!?br style="font-size: 16px;" />    綠碳化硅的機械強度高于剛玉。平均尺寸為0.1mm的高純度綠碳化硅顆粒的抗壓強度為186kN/cm-,而普通剛玉磨料為100kN/cm,綠碳化硅磨料愈細其抗破碎強度愈高。粒度尺寸為90~2500μm的綠碳化硅的平均抗破碎強度為5800kPa/cm,同樣尺寸范圍的剛玉磨料為5300kPa/cm。
 二. 綠碳化硅的色澤
    綠碳化硅微粉呈綠色,晶體結構。
  綠碳化硅的呈色原因有多種不同的解釋。一般認為是同外來雜質的存在引起的。如:以碳化硼的形式引入硼時,會使晶體呈黑色;當晶體中含氮時則為綠色。 
  綠碳化硅的外觀顏色除與晶體本身的色澤有關外還與自然光在晶體表面薄膜的干涉現象有關。當綠碳化硅晶體表面的氧化硅薄膜厚度不同時,或對光線的反射角度不同時,綠碳化硅晶體表面的呈色亦各不相同。因此在自然光下常??吹骄G碳化硅具有絢麗多彩的色澤。
三. 綠碳化硅的熱導率及線膨脹系數
   作為一種優質耐火材料,綠碳化硅具有優越的抗熱震性能。這一點具體表現在它具有高的熱導率(導熱系數)和較低的線膨脹系數。表2-1-7為一定配比的粘土結合劑綠碳化硅試樣的導熱系統值。 
   一般工程計算上取綠碳化硅的導熱系數為6.28~9.63 W/m。此值約為剛玉導熱系數的4倍。 
   在25~1400℃范圍內,綠碳化硅的平均線膨脹系數可取4.4×10-6K/m;而剛玉的線膨脹系數為(7~8)×10-6K/m。
 四. 綠碳化硅的導電性能
   工業綠碳化硅是一種半導體,其導電性能隨晶體中引入雜質的種類和數量的不同而變化,電阻率在10Ω·㎝之間。其中對綠碳化硅導電性影響最大的雜質是鋁,氮和硼,含鋁較多的綠碳化硅導電性顯著增大。 
  綠碳化硅的導電性隨電場強度的增大面迅速提高,且具有非線性變化的特點。 
  綠碳化硅的電阻率隨溫度的變化而改變,但在一定的溫度范圍內與金屬的電阻溫度特性相反。

1.高純度、大結晶的碳化硅原材料,保證了碳化硅切割微粉的優良切割性能和穩定的物理狀態;

2.粒度形狀為等積而具刀鋒,保證了碳化硅微粉作為切割刃料的均衡自銳性,從而保證被切割材料TTV的最小化;

3.粒度分布集中并且均勻;

4.有高的熱震穩定性和荷重軟化溫度,這確保了在荷重切割時的小的線膨脹系數,從而保證切割的穩定性;并且能夠和切割機有很好的適配性;

5.表面經過特殊處理,微粉具備大的比表面積和清潔的外表,與聚乙二醇等切削液有很好的實配性;

 
物理指標:

粒度編號

粒徑(um)

規格

特點

 

12#

2000

形狀:多角形
堆積密度:3.12g/cm3
典型成份(%):
sic≥:98
Fe2O3≤: 0.8 
顏色:綠色
包裝:25公斤裝

是以石英砂和石砂和石油焦碳為主要原料,
在電阻爐內經高溫冶煉而成。呈綠色結晶,顯微硬度。
    

 

16#

1400

24#

850

30#

710

36#

600

46#

425

60#

300

80#

212

100#

150

120#

125

150#

106

180#

90

220#

75

280#

50

320#

40

 
化學指標:

磨料磨具用碳化硅國家標準
磨料磨具用碳化硅 GB2480-83
本標準適用于制造磨具或作研磨材料等用的碳化硅。
技術條件
1、化學成份應符合下表規定:

粒度范圍

SiC %不小于

游離碳 %不多于

Fe2O3 %不多于

黑碳化硅

12#-90#

98.5

0.2

0.6

100#-180#

98

0.3

0.8

220#-240#

97

0.3

1.2

綠碳化硅

20#-90#

99

0.2

0.2

100#-80#

98.5

0.25

0.5

220#-240#

97.5

0.25

0.7

W63-W20

97

0.3

0.7

W14-W10

95.5

0.3

0.7

W7-W5

94

0.3

0.7

2、密度:46#粒度(代表號)綠碳化硅不小于3.18克/厘米³”.黑碳化硅不小于3.12克/厘米³”。
3、粒度組成:應符合GB2477-83《磨料粒度及其組成》的規定。
4、鐵合金粒的允許含量:30#及以粗的各號以不通過45#篩的鐵合金粒為零;36#至90#各號以下通過粒度檢查時最低層篩號的鐵合金粒為零;100#及以細各號以不通過粒度篩檢查時混合粒下層篩的鐵合金為零。
5、磁性物允許含量:12#至240#的磁性物含量不大于0.20%。


使用范圍(用途):
綠碳化硅主要用途:
  綠碳化硅和黑碳化硅同屬于碳化硅行列,都是經過高溫熔煉及提純操作而成的晶體狀磨料。不同的是綠碳化硅呈綠色半透明結晶體,純度高,性脆,用它制成的磨具具適合加工硬度高
用于3-12英寸的單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體的線切割。是太陽能光伏產業、半導體產業、壓電晶體產業的工程性加工材料。   
碳化硅的主要分析檢測方法:   
碳化硅中硅的含量決定碳化硅的硬度。 碳化硅的粒徑大小對線切割影響很大, 但最重要的是碳化硅的顆粒形狀。因為線切割時碳化硅為游離狀態切割 顆粒的形狀變化對切割效率及切割質量要重要影響。   
檢測辦法:硅的含量需要原子吸收檢測(檢測效率高,數值較精確)。   
化硅粒徑需要電阻法顆粒分析儀(效率高)。
碳化硅粒型檢測需要瑞思RA200顆粒分析儀.(可以分析顆粒形狀系數 圓度 較準確)
 綠碳化硅微粉有著很好的自銳性和優異的研磨、拋光性能??捎糜诰w的切割和精密研磨、硬質玻璃的精密研磨、單晶硅和多晶硅棒的切片、單晶硅片的精密研磨、超硬金屬的加工、銅及銅合金等軟質金屬的加工、多種樹脂材料的加工等。

 
相關介紹:
中國標準:W63、W50、W40、W28、W20、W14、W10、W7、W5、W3.5、W2.5、W1.5
歐洲標準:F280、F320、F400、F500、F600、F800、F1000、F1200、F1500、F1800
發現和早期的合成方法
雖然早期有一些不系統的、不受認可或是未經證實的的碳化硅合成方法的報道,比如在1810年貝采里烏斯報道的用金屬鉀還原氟硅酸鉀的合成方法、1849年Charles Mansuète Despretz報道的將通電的碳棒埋在沙粒中的合成方法、1881年Robert Sydney Marsden報道的在石墨坩堝中用熔融的銀溶解硅石的合成方法、1882年Albert Colson在乙烯氣氛中加熱單質硅的合成方法以及1881年Paul Schützenberger報道的在石墨坩堝中加熱硅單質和硅石混合物的合成方法,但真正實現碳化硅的大量制備還是在1890年由愛德華古德里奇艾奇遜率先實現的。艾奇遜嘗試在鐵鍋中加熱粘土(硅酸鋁)和焦炭粉的混合物合成人造鉆石的過程中發現了這個合成碳化硅的方法,他將得到的藍色金剛砂晶體誤認為是一種由碳和鋁構成的類似剛玉的物質。1893年亨利·莫瓦桑在研究來自亞利桑那州的代亞布羅峽谷隕石樣品時發現了罕有的在自然條件下存在的碳化硅礦石,將之命名為莫桑石。莫瓦桑也通過幾種方法合成了碳化硅:包括用熔融的單質硅熔解單質碳、將碳化硅和硅石的混合物熔化和在電爐中用單質碳還原硅石的方法。但莫瓦桑在1903年時還是將碳化硅的發現歸功于艾奇遜。

艾奇遜在1893年2月28日為合成碳化硅粉末的方法申請了專利保護。
碳化硅最早的用途是磨料,隨后被用于電子器件中。在二十世紀初,第一批雷達中就是將碳化硅用為探測器的,1907年馬可尼公司的雇員兼馬可尼的助手Henry Joseph Round通過在碳化硅晶體上施加一定的電壓后在陰極上觀察到有黃色、綠色和橙色光放出,由此得到了世界上第一個發光二極管。這些實驗結果后來在1923年被蘇聯科學家奧列格·洛謝夫重復證實。
自然界中的分布
自然界中的莫桑石僅微量分布于某幾種隕石、剛玉礦床和金伯利巖中。幾乎世界上所有的碳化硅固體包括莫桑石制成的珠寶都來自于人工合成。1893年費迪南德·亨利·莫桑在一小部分的代亞布羅峽谷隕石中發現了天然的莫桑石。莫桑的發現起初是有一定爭議的,因為他手中的樣品可能在切割時受到了由人造碳化硅制成的圓鋸片的污染。雖然地球上的碳化硅非常稀有但在宇宙空間中卻相當常見。宇宙中的碳化硅通常是碳星周圍的宇宙塵埃中的常見成分。在宇宙和隕石中發現的碳化硅幾乎無一例外都是β相晶形的。對在默奇森隕石這類碳質球粒隕石中發現的碳化硅顆粒進行分析后發現碳和硅元素的同位素比例均有異常,這表明隕石來自太陽系外,這些碳化硅顆粒中的99%來源于富碳的漸近巨星分支中的恒星。通過紅外光譜推測碳化硅在這類恒星上很常見。
制造
由于自然界中的莫桑石非常罕有,所以碳化硅多為人造。它被用于磨料、半導體材料和具有鉆石特點的仿制品。常見的方法是利用艾奇遜法將細的二氧化硅顆粒與焦炭混合,置入石墨為電極的電爐中,加熱到1600至2500°C之間的高溫制得。另一種方法是將純凈的二氧化硅顆粒在植物性材料(比如谷殼)中加熱合成碳化硅,通過熱分解有機質材料生成的碳還原二氧化硅產生硅單質,隨后多余的碳與單質硅反應產生碳化硅。。還能利用生產金屬硅化物和硅鐵合金的副產物硅灰與石墨混合在1500°C的條件下加熱合成碳化硅。
用艾奇遜法在電爐中合成的碳化硅因距離石墨電阻加熱源遠近的不同在純度上有一定的差別。最靠近電阻加熱源的地方產生的無色、淡黃色或綠色的碳化硅晶體純度最高。隨著離電阻加熱源的距離越來越遠生成的碳化硅顏色變為藍色和黑色,這些深色晶體的純度相對降低。氮和鋁是碳化硅中常見的雜質,它們會影響碳化硅的電導率。
純的碳化硅是用Lely法制造的。 通過將碳化硅粉末在2500°C的氬氣氛下升華后再沉積形成鱗片狀的單晶,在較冷的基底上可形成尺寸大到2×2cm2的單晶。Lely法能生長出高質量的碳化硅單晶。因為單晶的生長溫度高,所以得到的單晶大多數是6H-SiC相的。在石墨坩堝中進行感應加熱則是另一種改進后的艾奇遜法,它可以制造的碳化硅單晶尺寸是傳統方法的81倍。立方體狀的碳化硅一般是借助成本較為昂貴的化學氣相沉積法來合成的。]通過氣相和液相合成的方法可以制造同質外延和異質的碳化硅薄層。純的碳化硅也能利用某些聚合物比如聚甲基硅烷在低溫的惰性氣氛中熱分解來合成。相較于化學氣相沉積法,熱分解法的優勢在于聚合物能在熱裂解形成陶瓷狀碳化硅之前塑造成各種不同的形狀。

結構和性能

三種主要的碳化硅多形體

 

   

(β)3C-SiC

4H-SiC

(α)6H-SiC

碳化硅存在著約250種結晶形態。由于碳化硅擁有一系列相似晶體結構的同質多型體使得碳化硅具有同質多晶的特點。這些多形體的晶體結構可被視為將特定幾種二維結構以不同順序層狀堆積后得到的,因此這些多形體具有相同的化學組成和相同的二維結構,但它們的三維結構不同。
α-碳化硅(α-SiC)是這些多型體中最為常見的,它是在大于1700°C的溫度下形成的,具有類似纖鋅礦的六方晶體結構。具有類似鉆石的閃鋅礦晶體結構的β-碳化硅(β-SiC)則是在低于1700°C的條件下形成的。β-碳化硅因其相較α-碳化硅擁有更高的比表面積,所以可用于非均相催化劑的負載體。
純的碳化硅是無色的,工業用碳化硅由于含有鐵等雜質而呈現棕色至黑色晶體上彩虹般的光澤則是因為其表面產生的二氧化硅鈍化層所致。
碳化硅高達2700°C的升華溫度使得它適合作為制造軸承和高溫熔爐的部件。它本身也具有較高的化學惰性。由于其相較于晶體硅具有更高的熱電導率、電場擊穿強度和最大電流密度,所以在高功率的半導體材料方面具有更好的應用前景。此外碳化硅的熱膨脹系數也非常低(4.0×10-6/K)同時也不會發生可能引起的不連續性熱膨脹的相變。
電導率
在碳化硅中摻雜氮或磷可以形成n型半導體而摻雜鋁、硼、鎵或鈹形成p型半導體。在碳化硅中大量摻雜硼、鋁或氮可以使摻雜后的碳化硅具備數量級可與金屬比擬的導電率。摻雜Al的3C-SiC、摻雜B的3C-SiC和6H-SiC的碳化硅都能在1.5K的溫度下擁有超導性,但摻雜Al和B的碳化硅兩者的磁場行為有明顯區別。摻雜鋁的碳化硅和摻雜B的晶體硅一樣都是II型半導體,但摻雜硼的碳化硅則是I型半導體。
用途
磨料和切割工具
由于金剛砂的耐用性和低成本,在現代寶石加工中作為常用磨料使用。金剛砂憑借其硬度使它在制造業中諸如砂輪切割、搪磨、水刀切割和噴砂等磨削加工過程。將碳化硅粒子層壓在紙上就能制成砂紙和滑板的握帶。
1982年由氧化鋁和碳化硅須晶構成的超強復合材料問世,經過隨后三年的發展這種復合材料走出實驗室成為商品。1985年先進復合材料公司和Greenleaf公司推出了新的商品化切割工具,工具就是由氧化鋁和碳化硅須晶組成的加強型復合材料所制造的。
結構材料
在二十世紀80至90年代,幾個歐洲、日本和美國的高溫燃氣渦輪機研究項目對碳化硅做了研究,項目的目標均打算以碳化硅代替鎳高溫合金制造渦輪機葉片或噴嘴葉片。但這些項目無一實現量產,主要原因在于碳化硅材料的耐沖擊性和斷裂韌度低。
不同于其他陶瓷材料比如氧化鋁和碳化硼,碳化硅可用于制造復合裝甲(比如喬巴姆裝甲)和防彈背心中的陶瓷板。
天文學
碳化硅具備的低熱膨脹系數、高的硬度、剛性和熱導率使其能夠作為天文望遠鏡的鏡面材料。通過化學氣相沉積制造的直徑達3.5米和2.7米的多晶碳化硅圓盤已被分別安裝在赫歇爾空間天文臺和同溫層紅外線天文臺等幾個大型天文望遠鏡上。
催化劑載體
碳化硅本身的抗氧化性質和立方β-SiC所具有的大比表面積使其可作為非均相催化劑的載體。通過稻殼炭化合成的β-SiC已被用于作為非均相催化劑的載體應用于催化諸如正丁烷氧化生成順丁烯二酸酐這類烴類的氧化反應。 

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