碳化硅的研究與應用論文

（（（（學士學位論文系別：物理與電子工程系學科專業(yè)：物理學(太陽能、風能開發(fā)和利用方向）姓名：羅京運城學院2015年05月碳化硅的研究與應用系別：物理與電子工程系學科專業(yè)：物理學(太陽能、風能開發(fā)和利用方向）姓名：羅京指導教師：荊敏娟運城學院2015年05月

碳化硅的研究與應用摘要：通過總結國內外對碳化硅的研究成果，簡明的說明碳化硅的研究背景、概念性質、國內外對于碳化硅研究以及碳化硅的研究現(xiàn)狀。之后又舉例了兩個國內外在研究碳化硅的經(jīng)典實驗。詳細的闡述了目前中國碳化硅行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和碳化硅在實際生活。列舉了生產中的應用到的碳化硅，對碳化硅未來發(fā)展的展望等做了詳細的預測。在碳化硅的研究與發(fā)展中，國內外正在逐漸完善對它的了解和應用，但是對于碳化硅在實際中的應用目前還沒有做出具體且詳細的闡述。碳化硅的研究在未來的發(fā)展和應用及碳化硅材料的應用領域等。本論文就碳化硅的研究與發(fā)展做一個全面綜合的探討與概述。關鍵字:碳化硅；研究；應用；展望ResearchandapplicationofsiliconcarbideAbstract：Throughsummarizingtheresearchachievementsofthesiliconcarbideathomeandabroad,aconciseexplanationofthebackground,concept,propertiesofsiliconcarbide,thecurrentresearchstatusofdomesticandforeignresearchonsiliconcarbideandsiliconcarbide.Then,anexampleisgiventothetwoclassicexperimentsonthestudyofthesiliconcarbideathomeandabroad.IndetailelaboratedthepresentdevelopmentofsiliconcarbideindustryinChinaandsiliconcarbideinreallife.Liststheapplicationtothesiliconcarbide,theoutlookforthefuturedevelopmentofsiliconcarbideandotherdetailedforecasts.Intheresearchanddevelopmentofsiliconcarbide,bothathomeandabroadaregraduallyimprovetheunderstandingandapplicationofit,butforsiliconcarbideintheactualapplicationarestillnotmakespecificanddetailedinthispaper.Thedevelopmentandapplicationofsiliconcarbideresearchinthefutureandapplicationfieldofsiliconcarbidematerials,etc.Inthispaper,researchanddevelopmentofsiliconcarbideasacomprehensivediscussionandsummary.Keywords:Siliconcarbide;Application;Research;Outlook目錄8001引言 （1）TOC\o"1-3"\h\u8002碳化硅的研究背景 （引言隨著工業(yè)的發(fā)展和科學技術的進步，碳化硅的非磨削用途在不斷擴大，在耐炎材料方面用于制作各種高級耐炎制品，如墊板、出鐵槽、坩鍋熔池等；在冶金工業(yè)上作為煉鋼脫氧劑，可以節(jié)電，縮短冶煉時間，改善操作環(huán)境；在電氣工業(yè)方面利用碳化硅導電、導熱及抗氧化性來制造發(fā)熱元件——硅碳棒。碳化硅的燒結制品可作固定電阻器，在工程上還可作防滑防腐蝕劑。碳化硅與環(huán)氧樹脂混合可涂在耐酸容器中、蝸輪機葉片上起防腐耐磨作用。SiC由于具有優(yōu)良的耐高溫、耐磨耗、耐腐蝕及高的熱傳導性能，近年來受到人們極大關注。作為一種新型的非氧化物精細陶瓷材料，其研究與應用均取得了長足的發(fā)展。2碳化硅的研究背景碳化硅是由美國人艾奇遜在1891年電熔金剛石實驗時，在實驗室偶然發(fā)現(xiàn)的一種碳化物，當時誤認為是金剛石的混合體，故取名金剛砂，1893年艾奇遜研究出來了工業(yè)冶煉碳化硅的方法，也就是大家常說的艾奇遜爐，一直沿用至今，以碳質材料為爐芯體的電阻爐，通電加熱石英SIO2和碳的混合物生成碳化硅。碳化硅沒有天然的，人造碳化硅是19世紀末研究成的。特別應提到的是美國人艾奇遜。他采用含氧化鋁的粘土，配上焦炭，對該混合物通一強大的電流，直到中心的粘土融化。冷卻后，他在點擊的端部和混合物料中發(fā)現(xiàn)了明亮閃光的堅硬物質。艾奇遜多次重復這一實驗，并且把這些堅硬物質收集起來實驗它的磨削性能，結果竟能磨損他的鉆石戒指。當時艾奇遜認為所發(fā)現(xiàn)的物質是碳和剛玉的化合物，所以將這種物質取名為“卡普倫登”。他是英文carbon（碳）和corundum（剛玉）兩個詞復合構成的。事實上，參與反應的不是粘土里的氧化鋁，而是二氧化硅。1893年，艾奇遜獲得碳化硅生產專利權，使碳化硅成為世上最早商品化的人造磨料。當時只能智取黑色碳化硅，日產125克。它被人們認為是“研磨寶石”，每公斤價格高達1600美元。3碳化硅的概念及性質3.1基本認識及概念SiC成形體的制作工藝圖：圖1SiC成形體的制作工藝分子式為SiC，其硬度介于剛玉和金剛石之間，機械強度高于剛玉，可作為磨料和其他某些工業(yè)材料使用。工業(yè)用碳化硅于1891年研制成功，是最早的人造磨料。在隕石和地殼中雖有少量碳化硅存在，但迄今尚未找到可供開采的礦源。碳化硅（SiC）是通過用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料，其過程通過電阻爐高溫冶煉而成。在大自然中也存在罕見的礦物，莫桑石。目前我國工業(yè)生產的碳化硅兩種，黑色碳化硅，綠色碳化硅，均為六方晶體。包括黑碳化硅和綠碳化硅。黑碳化硅是以石英砂、石油焦和優(yōu)質硅石等為主要的原料。常用的碳化硅磨料有兩種不同的晶體，一種是綠碳化硅，含SiC97%以上，主要用于磨硬質含金工具。另一種是黑碳化硅，有金屬光澤，含SiC95%以上，強度比綠碳化硅大，但硬度較低，主要用于磨鑄鐵和非金屬材料。圖2優(yōu)質綠碳化硅微粉圖3綠碳化硅原塊3.2碳化硅的物理性質和化學性質3.2.1碳化硅的物理性質碳化硅的折射率非常高，在普通光線下為2.6767-2.6480;在特殊光線下為2.6889-2.6930.各種晶型的碳化硅比重十分接近，一般為3.217.碳化硅砂的堆積密度為1.2-1.6g/之間波動，取決于粒度型號、粒度組成和顆粒形狀。耐火材料用碳化硅砂還測定其搖實密度，整形后的8#以下通料的搖實密度可達2.1-2.4g/.碳化硅的莫氏硬度為9.2.黑SiC與綠SiC的硬度無論在常溫下還是高溫下都基本相同，沒有本質上的差別。碳化硅的膨脹系數(shù)不大，以下為測定結果。在25-1400℃范圍內，碳化硅平均熱膨脹系數(shù)可取4.4×10（-6℃-1）。碳化硅的熱膨脹系數(shù)：表1碳化硅的熱膨脹系數(shù)純碳化硅是無色透明的晶體。工業(yè)碳化硅因所含雜質的種類和含量不同，而呈淺黃、綠、藍乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結構分為六方或菱面體的α-SiC和立方體的β-SiC(稱立方碳化硅)。α-SiC由于其晶體結構中碳和硅原子的堆垛序列不同而構成許多不同變體，已發(fā)現(xiàn)70余種。β-SiC于2100℃以上時轉變?yōu)棣?SiC。3.2.2碳化硅的化學性質碳化硅的化學穩(wěn)定性與其氧化特性有密切關系。碳化硅易氧化,但它氧化之后形成了一層二氧化硅薄膜,氧化進程逐步被阻礙。在空氣中,碳化硅于800℃時就開始氧化,但很緩慢;隨著溫度升高,則氧化速度急速加快。氧化時,若同時存在著能將二氧化硅薄膜移去或使之破裂的物質,則碳化硅就易被進一步氧化。例如:鐵、錳等金屬有幾種化合價,其氧化物能將碳化硅氧化,并且又能與二氧化硅生成低熔點化合物,能侵蝕碳化硅。例如,FeO在1300℃、MnO在1360℃能侵蝕碳化硅;而CaO、MgO在1000℃就能侵蝕碳化硅。水蒸汽與碳化硅在高溫下反應相當強烈,于1100℃以上時,視情況不同,可生成硅、碳或二氧化硅。碳化硅在1000℃左右時,能與硫化氫等含硫化合物生成紅棕色的硫化硅(SiS2或SiS)。這一反應也是碳化硅制品在燒成時色澤變紅的原因之一?？寡趸裕涸诳諝庵屑訜崽蓟璨牧系?300℃時，其碳化硅晶的體表面開始有二氧化硅保護層生成。之后隨著保護層的逐漸的加厚，就會阻止內部的碳化硅繼續(xù)被氧化。二氧化硅保護膜在溫度達到1900K(1627℃)以上時開始被破壞，碳化硅氧化作用就會逐漸的加劇。耐酸堿性：在耐酸、堿及氧化物的作用方面，由于二氧化硅保護膜的作用，碳化硅的抗酸能力很強，抗堿性稍差。電學性質：常溫時，工業(yè)制作的碳化硅是半導體。比較高的純度的碳化硅就會隨著溫度的升高造成其電阻率的下降，那些含雜質的碳化硅，研究根據(jù)它的含雜質的不同，得出的結果是其導電性能也將不同。另一電性質是電致發(fā)光性，目前已經(jīng)研制出了比較實用器件。4碳化硅的發(fā)展歷程4.1碳化硅的發(fā)現(xiàn)4.1.1發(fā)現(xiàn)和早期的合成方法雖然早期有一些不系統(tǒng)的、不受認可或是未經(jīng)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CharlesMansuèteDespretz報道的將通電的碳棒埋在沙粒中的合成方法、1881年RobertSydneyMarsden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AlbertColson在乙烯氣氛中加熱單質硅的合成方法以及1881年PaulSchützenberger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(xiàn)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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HenryJosephRound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(fā)光二極管。這些實驗結果后來在1923年被蘇聯(lián)科學家奧列格·洛謝夫重復證實。4.1.2自然界中的分布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(fā)現(xiàn)了天然的莫桑石。莫桑的發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的碳化硅顆粒進行分析后發(fā)現(xiàn)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。4.2碳化硅的制造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?yōu)樗{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(shù)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(tǒng)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(yōu)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。4.3碳化硅的發(fā)展歷程1905年第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅。1824年，Berzelius(1779-1848),瑞典科學家在合成金剛石時觀察到碳化硅（SiC）的存在，從此就拉開了人類對于碳化硅材料研究的序幕。1907年世界上第一只碳化硅（SiC）晶體發(fā)光二極管誕生。Acheson在（1856年-1931年）第一次使用焦炭和硅石混合劑（焦炭40%，硅石50%，摻入劑10%）放入槽型熔爐中通過高溫加熱的方法獲得碳化硅結晶的方法。這方法獲得的碳化硅是2-3cm的鱗狀單晶或多晶。1907年，英國工程師Round在1881年-1966年中利用場的發(fā)光效應制備了第一只碳化硅發(fā)光二極管，開啟了碳化硅材料在電子學領域的應用。1920年，碳化硅的單晶硅被應用于早期的無線電接收機上面。1955年，荷蘭飛利浦研究室J.A.Lely首次在實驗室中用升華氣體再結晶的方法制成雜質數(shù)量和種類可控制的、具有足夠尺寸的SiC單晶，由此奠定了碳化硅的發(fā)展基礎實現(xiàn)了理論和技術上的重大突破。1958年在波士頓召開第一次世界碳化硅會議進行學術交流。蘇聯(lián)人Tairov和Tsvetkov在1978年提出了改進Lely熱生長法-“籽晶升華生長法”亦稱作物理氣相傳輸，使生長大面積高質量碳化硅晶體成為可能，從此拉開了大規(guī)模碳化硅材料和器件研究的序幕。八十年代，美國的國家宇航局和美國海軍研究局通過和北卡羅萊那州立大學合作開發(fā)碳化硅材料和器件。1987年，Cree公司的成立，首先建立了碳化硅SiC的生產線，提供商品化的碳化硅晶體和制造器件的生產線。2007年，Cree公司推出4英寸（100mm）零微管（ZMP）N型SiC襯底。同時，螺旋位錯（Screwdislocation）密度被降低到幾百個平方厘米。2010年8月30日，Cree發(fā)布了6英寸的SiC的N型襯底，微管密度（MPDensity）小于10/。5國內外對于的碳化硅研究5.1碳化硅的研究現(xiàn)狀表象繁榮:碳化硅精細微粉作為一種新型的多復合性功能材料，近年來被廣泛應用于高端太陽能、半導體切割研磨、LED、非金屬陶瓷、高性能密封環(huán)等領域。尤其是最近幾年，無論國內外媒體及產業(yè)政策導向，都極力助推了這一新興產業(yè)的快速發(fā)展。光伏產業(yè)強烈的發(fā)展預期，導致碳化硅行業(yè)炙手可熱，吸引了大批的企業(yè)和社會投資者紛紛涌入，克服節(jié)能減排等多方壓力，各種規(guī)模的碳化硅生產企業(yè)可謂是遍地開花，樂觀情緒漸盛。產能過剩:近年來，隨著全球節(jié)能減排呼聲的逐年高漲，新能源光伏企業(yè)取得了高歌猛進的發(fā)展，尤其是2010年光伏行業(yè)經(jīng)歷了井噴式發(fā)展。伴隨光伏產業(yè)的興起，對作為硅片線切割重要輔料的碳化硅精細微粉形成巨大需求。2010年，全球裝機容量為15.7GW，對碳化硅精細微粉的需求約26萬噸（為綠碳化硅精細微粉），推算知需綠碳化硅原料塊約50萬噸。在上述預期及樂觀情緒情況下，我國綠碳化硅生產能力已達160萬噸左右，主要分布在青海、甘肅、新疆等地區(qū)，產能嚴重過剩。行情急轉:進入2011年，光伏產業(yè)在經(jīng)歷了2005-2010年均復合增長率40%以上的高速增長后，今年4-5月，受歐洲最主要光伏市場政策變動影響，光伏裝機處于幾乎停滯狀態(tài)。產能過剩帶來嚴重的庫存壓力使得光伏產業(yè)鏈出現(xiàn)大幅度回調，價格一路走低，從集成系統(tǒng)、組件、到硅片、甚至到上游門檻較高的多晶硅原料，產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)無一幸免。統(tǒng)計資料顯示，4月1日開始至今現(xiàn)貨市場多晶硅價格下跌40%（已由4月初的78萬元/噸下跌至目前的35萬元/噸左右），硅片價格下跌40%以上，組件價格下跌27%。全產業(yè)鏈價格的迅速下跌，使得所有光伏企業(yè)毛利率大幅下滑，利潤空間迅速收窄，一部分無成本優(yōu)勢的中小企業(yè)甚至出現(xiàn)虧損，開工率一度跌至50%以下。慘烈程度堪比2008金融危機。在此背景下，作為其產業(yè)鏈條上的一環(huán)，碳化硅各生產企業(yè)也未能幸免，產品有價無市，企業(yè)經(jīng)營形勢急劇惡化，行業(yè)洗牌已不可避免。5.2碳化硅行業(yè)的“?！迸c“機”1、價格低迷，碳化硅市場景氣度下降碳化硅原料塊:由于產品同質化嚴重，2011年新產能大量釋放，形成短期的相對過剩，西部地區(qū)碳化硅價格連續(xù)幾個月呈持續(xù)走低態(tài)勢。碳化硅原料塊價格由4月初的11000元/噸下跌至目前的9000元/噸，甚至有部分廠家已經(jīng)報出8000—8500元/噸，已形成短期的惡性循環(huán)。目前，隨著西部地區(qū)取消優(yōu)惠電價政策后（電價普遍達到0.4元/度），很多碳化硅冶煉企業(yè)已經(jīng)近乎于微薄利潤下勉強維持生產。碳化硅精細微粉:在碳化硅精細微粉方面，作為其主要應用市場，光伏行業(yè)此次大幅震蕩也給碳化硅精細微粉市場造成巨大沖擊。今年一二月份光伏組件和電池的價格開始下跌，緊接著是硅片，5月份以后上游多晶硅的價格也開始出現(xiàn)了明顯跌幅。在經(jīng)過近三個月的持續(xù)下跌之后，多晶硅的價格已經(jīng)是6年來的最低價。整個光伏產業(yè)下跌行情從下游向上游的反向傳導，目前仍然未有復蘇的跡象，根據(jù)粗略估算，碳化硅精細微粉價格跌幅至少在15%以上，甚至更高。更令人堪憂的還在于價格大幅下跌的同時成交量也未有明顯擴大，反倒出現(xiàn)了價量齊跌的局面。2、經(jīng)濟環(huán)境變化沖擊碳化硅行業(yè)電荒：3月份以來，全國多地出現(xiàn)淡季“電荒”現(xiàn)象。國家能源局和發(fā)改委相繼出臺限制工業(yè)尤其是高耗能行業(yè)用電、上調工業(yè)用電價格等一系列政策，對于本來就處于不景氣中的碳化硅行業(yè)又形成較大沖擊。宏觀經(jīng)濟趨緊：2011年隨著國家宏觀調控的收緊，央行以3次加息、5次上調存款準備金率，中小企業(yè)生存和發(fā)展面臨困境。碳化硅行業(yè)內資金實力不濟的企業(yè)，生存前景堪憂。人民幣升值壓力急劇加大，碳化硅產品屬于國家限制出口類產品，需要注意的是由此可能造成更多企業(yè)內銷為主，國內市場競爭進一步加劇。用工荒：隨著國內經(jīng)濟形勢的回暖，全國普現(xiàn)用工荒，碳化硅行業(yè)也不例外，在目前行業(yè)不景氣的時候，行業(yè)用工問題更加凸顯出來，普工、技術工人的工資在年后都有相當幅度的上漲，由于碳化硅行業(yè)生產環(huán)境相對較差、勞動強度相對較大，用工成本實際屬于較難規(guī)避的硬性成本，已經(jīng)給碳化硅企業(yè)造成巨大壓力。3、光伏市場變化碳化硅行業(yè)最大利空作為世界前兩大光伏市場，德國、意大利占據(jù)了世界光伏市場60%以上的份額，而在2011年，繼德國政府決定削減16%的光伏補貼之后，4月1日，意大利政府出臺了新的光伏補貼政策，從當日起至2012年年底，將光伏補貼削減15%-20%；2013—2015年將光伏補貼再削減30%-35%。由于光伏目前成本相對傳統(tǒng)能源仍處于較高水平，一直以來都是靠政策驅動發(fā)展，政府給予的行業(yè)補貼量與光伏行業(yè)發(fā)展景氣度高度正相關，突然的政策下調，引發(fā)了光伏行業(yè)有史以來最大幅度的調整，調整幅度甚至比2008年國際金融危機時還要大。這直接導致了碳化硅精細微粉的價格和需求量下調。4、準單晶電池片已正式投放市場準單晶電池片轉換效率與單晶電池片一致，工藝成本卻與多晶電池片相當，準單晶鑄錠技術所得產品在擁有單晶效率的同時，還具有多晶硅低成本、低衰減的優(yōu)勢。2011年6月18日，中國河南安陽鳳凰光伏在上海宣布其準單晶硅材料開始量產，將正式投放市場。目前已有超過10家企業(yè)正在使用鳳凰光伏的準單晶硅片，其中兩家在7月開始執(zhí)行批量訂單。5.3國內外在研究碳化硅的經(jīng)典實驗5.3.1磁性碳化硅功能陶瓷的制備用先驅體法的方法制備碳化硅(SiC)，是一種具有更多用途的高性能陶瓷材料，通過技術可以制備SiC陶瓷纖維、陶瓷基復合材料、陶瓷涂層、陶瓷薄膜、泡沫陶瓷、陶瓷微粉等。其中碳化硅（SiC）纖維是具有高強高模和耐高溫氧化等性能，在高性能復合材料中的應用具有非常重要的應用價值。目前，用先驅體高分子電磁改性方法來制備碳化硅SiC功能材料是目前國內外的研究熱點。通過用低分子量的聚硅烷和二茂鐵合成制造出的PFcs，并通過多孔熔融紡絲、預氧化、和連續(xù)高溫燒成制得的電阻率低、有磁性的碳化硅纖維，進而我們制備磁性碳化硅結構吸的波材料?？蓪FCS直接用高溫裂解的方法制得磁性碳化硅吸波陶瓷，這個方法的工藝比較簡單，其特點是成本低廉、鐵分布均勻等。而在Pcs中引入鐵絡合物制備含鐵的碳化硅陶瓷。實驗：通過二氯二甲基硅烷與金屬鈉在甲苯中縮合制得聚二甲基硅烷(PDMS)。聚二甲基硅烷(PDMS)在400℃～500℃的惰性氣體保護下裂解制得的低分子量聚硅烷(LPS)。LPS與二茂鐵的反應是在高壓的釜中進行。隨著反應器的溫度逐漸的升高，溫度恒定后經(jīng)過保溫的處理即可制得聚鐵碳硅烷粗料，粗料用二甲苯溶解，再通過過濾、減壓蒸餾等方法制得的產品聚鐵碳硅烷。聚鐵碳硅烷在管式爐中在以高純氮氣保護下面高溫(800～1400℃)燒成即得磁性碳化硅陶瓷。5.3.2碳化硅薄膜制備1、薄膜制備薄膜沉積設備分為3個部分：配氣系統(tǒng)、反應室系統(tǒng)和擒氣系統(tǒng)．反應氣體電D07-7A/2M型質量流量計控制；熱絲溫度用WGJ-01型精密光學高溫計測量(測量范圍900-3200℃)；襯底溫度用DWT-702精密溢度控制器測控；反應室燕強采用FZH-2B型復合真空計(20～pa)和SVG-2FM型熱電離復合真空計(1.0×103-1.0×Pa)進行測量．2、場致發(fā)射特性測試SiC薄膜場致發(fā)射I-V特性的測試設備如圖4所示．圖4場發(fā)射性能測試設備示意圖為了測試的穩(wěn)定，電路中串入了一個10M的標準電阻R，測試樣品置于真空室，真空度為6.0×pa。測試樣品時，陰極為襯底上淀積一層SiC薄膜；陽極以涂有ITO薄膜的玻璃片作為導電面．當真空度達到足夠高后，就可以在兩極間加電場，隨著電壓的增大，陰極表面發(fā)射出來的電子被陽極ITO薄膜收集，在測量回路中形成電流．電流大小就可從電流計上讀出。6目前中國碳化硅的發(fā)展狀況目前，我國有碳化硅冶煉企業(yè)200多家，年生產能力220多萬噸（其中：綠碳化硅塊120多萬噸，黑碳化硅塊約100萬噸）。冶煉變壓器功率大多為6300~12500kVA，最大冶煉變壓器為32000kVA。加工制砂、微粉生產企業(yè)300多家，年生產能力200多萬噸。2012年，我國碳化硅產能利用率不足45%。我國碳化硅冶煉企業(yè)主要分布在甘肅、寧夏、青海、新疆、四川等地，約占總產能的85%，約三分之一的冶煉企業(yè)有加工制砂微粉生產線。碳化硅加工制砂微粉生產企業(yè)主要分布在河南、山東、江蘇、吉林、黑龍江等省。我國碳化硅冶煉生產工藝、技術裝備和單噸能耗達到世界領先水平。黑、綠碳化硅原塊的質量水平也屬世界級。我國碳化硅與世界先進水平的差距主要集中在四個方面：一是在生產過程中很少使用大型機械設備，很多工序依靠人力完成，人均碳化硅產量較低；二是在碳化硅深加工產品上，對粒度砂和微粉產品的質量管理不夠精細，產品質量的穩(wěn)定性不夠；三是某些尖端產品的性能指標與發(fā)達國家同類產品相比有一定差距；四是冶煉過程中一氧化碳直接排放。國外主要企業(yè)基本實現(xiàn)了封閉冶煉，而我國碳化硅冶煉幾乎全部是開放式冶煉，一氧化碳全部直排。2012年，我國企業(yè)開發(fā)出了封閉冶煉技術，實現(xiàn)了一氧化碳全部回收，但是距離全行業(yè)普及還有很長的路要走。根據(jù)中國機床工業(yè)協(xié)會磨料磨具專委會碳化硅專家委員會的數(shù)據(jù)，截至2012年底，全球碳化硅產能達260萬噸以上，產能達到1萬噸以上的國家有13個，占全球總產能的98%。其中中國碳化硅產能達到220萬噸，占全球總產能的84%。近年來，在低碳經(jīng)濟大潮的帶動下，太陽能光伏產業(yè)迅猛發(fā)展，作為光伏產業(yè)用的材料，碳化硅特別是綠碳化硅的銷售市場異?；鸨沟帽姸嗄チ夏ゾ邩I(yè)界人士開始格外關注碳化硅行業(yè)。6.1碳化硅行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)階段我國碳化硅行業(yè)產能情況，根據(jù)中國機床工業(yè)協(xié)會磨料磨具專委會碳化硅專家委員會的數(shù)據(jù)，截至2012年底，全球碳化硅產能達260萬噸以上，產能達到1萬噸以上的國家有13個，占全球總產能的98%。其中中國碳化硅產能達到220萬噸，占全球總產能的84%。中國是碳化硅的生產大國和出口大國，2009年碳化硅總產量達53.5萬噸左右，占全球總數(shù)的56.3%，居世界第一。我們預計，2010年截止9月份僅綠碳化硅產量就將達到80萬噸。碳化硅行業(yè)產量大，但缺乏競爭力。盡管產量足夠供應，中國制造的碳化硅產品大部分是低端和初步加工，對于某些需求供應高附加值的成品和深加工產品存在很大的差距。尤其是高性能工程陶瓷、用以高端的研磨粉等產品的供應還遠遠沒有滿足，核心技術大多仍由日本控制。主要還是靠進口彌補國內市場的不足。光伏行業(yè)帶動出現(xiàn)機會，隨著傳統(tǒng)礦物質能源日益枯竭，以太陽能電池為代表的光伏產業(yè)得到迅速發(fā)展。到2020年可再生能源消費占一次能源消費中的比例要達到15%，光伏產業(yè)發(fā)展趨勢總體呈現(xiàn)穩(wěn)中有升。碳化硅是光伏產業(yè)鏈上游環(huán)節(jié)——晶硅片生產過程中的專用材料，受光伏行業(yè)發(fā)展的帶動，碳化硅行業(yè)通過產品結構升級和下游需求的擴展帶來了一些機會。不確定性盡管如此，由于碳化硅生產屬于高耗能、高污染，受到能源短缺的阻礙和國家能源節(jié)約的政策影響，還有一些具體審查和批準新項目受到閑臵，比如低電價優(yōu)惠的有關政策已經(jīng)被取消。目前國家嚴格控制新項目，原有6300KVA以下規(guī)模的碳化硅冶煉要求強制關停。所以碳化硅行業(yè)的未來發(fā)展將面臨很多不確定性。6.2碳化硅行業(yè)競爭格局分析外部經(jīng)濟環(huán)境，經(jīng)濟態(tài)勢向好:根據(jù)世界銀行最新統(tǒng)計預測，中國經(jīng)濟有望繼2009年國際金融危機沖擊下“保八”成功后，這為碳化硅行業(yè)的發(fā)展提供了良好的外部發(fā)展環(huán)境。在世界經(jīng)濟逐步好轉、現(xiàn)行宏觀政策基本取向不變的情景下，2010年將延續(xù)2009年下半年經(jīng)濟較快增長的良好態(tài)勢。據(jù)專家預測，“十二五”期間經(jīng)濟政策仍將保持穩(wěn)中趨緊、經(jīng)濟發(fā)展將不改上升趨勢，只是上升的斜度將有所調整，即將在不斷調整中持續(xù)穩(wěn)定向好。行業(yè)政策趨緊根據(jù)“十一五”規(guī)劃提出單位國內生產總值能耗降低20%左右的目標，全國節(jié)能工作取得了積極進展，前四年全國單位GDP能耗累計下降15.61%，但由于一些地方高耗能、高排放行業(yè)增長過快，今年上半年全國單位GDP能耗同比不降反升0.09%，全國有7個地方單位GDP能耗也出現(xiàn)上升，形勢非常嚴峻，任務更加艱巨。低碳經(jīng)濟主導綠色GDP在可持續(xù)發(fā)展理念指導下，通過技術創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產業(yè)轉型、新能源開發(fā)等多種手段發(fā)展低碳經(jīng)濟，追求綠色GDP，成為中國政府對全社會的承諾。為確保實現(xiàn)“十一五”節(jié)能減排目標，近期國務院要求各地區(qū)進一步加大工作力度，主要是要求各地對落后產能堅決依法關停淘汰，嚴格限制高耗能、高排放行業(yè)過快增長，目的是提高經(jīng)濟發(fā)展的質量和效益。分析要素優(yōu)勢:國內擁有相對廉價的勞動力資源；當前碳化硅制備的技術成熟、資源豐富；碳化硅行業(yè)已初具集群化發(fā)展趨勢。劣勢:行業(yè)規(guī)模還太小，政策、資金方面的抗風險能力差；行業(yè)秩序有待進一步規(guī)范，制約行業(yè)整體健康發(fā)展；行業(yè)交流就關鍵技術、長遠發(fā)展等的交流還顯不足。機會:碳化硅用途廣泛，越來越多的新市場正待開發(fā)；以線切割為代表的新型領域，正引領碳化硅行業(yè)換代升級；隨著國際和中國經(jīng)濟形勢的好轉，碳化硅行業(yè)也會迎來一定的發(fā)展機會。威脅:針對碳化硅新用途的技術研發(fā)呈加速趨勢，替代技術大量出現(xiàn)。太陽能光伏產業(yè)仍處在快速成長期，有多種技術在激烈競爭。目前晶硅電池在市場份額上占了領先地位，但是其他技術也在快速演進中。如若把硅晶電池看做第一代電池技術，今后會有無機薄膜電池、薄膜電池等二三代電池技術。電池技術會向更高的發(fā)電效率上發(fā)展，這是一種趨勢。目前現(xiàn)有硅片切割技術的一種替代技術即梅耶.伯格的鉆石內嵌線鋸技術（DiamondWire），據(jù)了解有15家左右的硅片廠商在配合梅耶.伯格對該技術進行第二輪的測試，日本的友達光電宣稱其已采用該技術實現(xiàn)量產。梅耶.伯格更預測在2011-13年，市場上三分之一的客戶將會轉用鉆石內嵌線鋸。此外，當前硅片切割企業(yè)已經(jīng)不約而同地進行廢砂漿的回收利用，而且這個舉措可以使企業(yè)使用切割液和碳化硅微粉的成本降低至少50%。隨著回收技術的提高，可以實現(xiàn)回收液、回收砂和新液、新砂以1：1的比例混合使用，大大降低了硅片的生產成本，使得硅片切割廠家從09年以來對廢砂漿回收越來越愿意接受，因此，這將使碳化硅行業(yè)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。碳化硅行業(yè)本身屬于微利行業(yè)，目前受多方面因素影響，預計行業(yè)利潤將進一步呈現(xiàn)下降趨勢。6.3碳化硅行業(yè)內部競爭行業(yè)準入門檻相對較低，大量企業(yè)和資本涌入，造成企業(yè)數(shù)量多、規(guī)模小、比較分散，議價能力不強，只能使行業(yè)回歸到以犧牲資源為代價，靠拼規(guī)模、拼成本的原有發(fā)展方式，不去追求依靠科技進步、管理創(chuàng)新的科學發(fā)展模式，以質劣價廉的產品來擾亂市場，換取自身短期的生存和發(fā)展，已嚴重影響到了行業(yè)的正常發(fā)展趨勢及下游光伏產業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。受國家政策調控影響，石油、電力等價格出現(xiàn)上漲，導致2010年上半年碳化硅價格有所上漲。原材料漲價也與今年自然災害有關系，天氣不正常導致原材料減產所致。實際行業(yè)利潤率仍呈偏低態(tài)勢。綜之，碳化硅行業(yè)面臨一定的發(fā)展機會，但重點將集中于高技術、高附加值方向。碳化硅行業(yè)規(guī)模小、行業(yè)競爭無序，為此必須加強同行業(yè)交流，團結共贏，提高行業(yè)整體抗風險能力。中國對環(huán)境的管控將趨于嚴厲，是各位同行必須共同思考的一個問題。碳化硅行業(yè)利潤率呈下降趨勢，要求我們必須進一步加強同行間技術交流和技術合作。在現(xiàn)有行業(yè)協(xié)會的基礎上采取更加緊密的合作方式，優(yōu)勢互補，走產業(yè)化、集群化的國際發(fā)展之路。7碳化硅在實際生活、生產中的應用碳化硅主要有四大應用領域，即：功能陶瓷、高級耐火材料、磨料及冶金原料。碳化硅粗料已能大量供應，不能算高新技術產品，而技術含量極高的納米級碳化硅粉體的應用短時間不可能形成規(guī)模經(jīng)濟。圖5抗沖擊陶瓷橡膠復合板圖6泡沫玻璃碳化硅板圖7碳化硅保護管圖8碳化硅耐磨溜槽作為磨料，可用來做磨具，如砂輪、油石、磨頭、砂瓦類等。作為冶金脫氧劑和耐高溫材料。高純度的單晶，可用于制造半導體、制造碳化硅纖維。主要用途：用于3—12英寸單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等線切割。太陽能光伏產業(yè)、半導體產業(yè)、壓電晶體產業(yè)工程性加工材料。用于半導體、避雷針、電路元件、高溫應用、紫外光偵檢器、結構材料、天文、碟剎、離合器、柴油微粒濾清器、細絲高溫計、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護具、觸媒擔體等領域。磨料磨具:主要用于制作砂輪、砂紙、砂帶、油石、磨塊、磨頭、研磨膏及光伏產品中單晶硅、多晶硅和電子行業(yè)的壓電晶體等方面的研磨、拋光等。“三耐”材料:利用碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強度大、導熱性能良好、抗沖擊等特性，碳化硅一方面可用于各種冶煉爐襯、高溫爐窯構件、碳化硅板、襯板、支撐件、匣缽、碳化硅坩堝等。另一方面可用于有色金屬冶煉工業(yè)的高溫間接加熱材料，如豎罐蒸餾爐、精餾爐塔盤、鋁電解槽、銅熔化爐內襯、鋅粉爐用弧型板、熱電偶保護管等；用于制作耐磨、耐蝕、耐高溫等高級碳化硅陶瓷材料；還可以制做火箭噴管、燃氣輪機葉片等。此外，碳化硅也是高速公路、航空飛機跑道太陽能熱水器等的理想材料之一。建材陶瓷砂輪工業(yè):利用其導熱系數(shù)、熱輻射、高熱強度大的特性，制造薄板窯具，不僅能減少窯具容量，還提高了窯爐的裝容量和產品質量，縮短了生產周期，是陶瓷釉面烘烤燒結理想的間接材料。節(jié)能:利用良好的導熱和熱穩(wěn)定性，作熱交換器，燃耗減少20%，節(jié)約燃料35%，使生產率提高20-30%，特別是礦山選廠用排放輸送管道的內放，其耐磨程度是普通耐磨材料的6--7倍。珠寶:合成碳化硅（SyntheticMoissanite）又名合成莫桑石、合成碳硅石（化學成分SiC），色散0.104比鉆石(0.044）大，折射率2.65-2.69（鉆石2.42），具有與鉆石相同的金剛光澤，“火彩”更強，比以往任何仿制品更接近鉆石。噴砂除銹:該品采用棕剛玉微粉經(jīng)高強壓力擠壓，高溫燒結成型，硬度適中，干凈清潔，不易破碎.，反復多次使用，噴砂效果好。鋼鐵、鋼管、鋼結構不銹鋼制品的表面亞光處理，噴涂前噴砂除銹處理。用于各種模具的清理?？汕宄黝悪C件拉應力，增加疲勞壽命。半導體器件、塑封對管上錫前的清理去除邊刺。醫(yī)療器械、紡織機械及各類五金制品的噴丸強化光飾加工。各種金屬管、有色金屬精密鑄件的清理及去除毛刺殘渣。8展望碳化硅的需要我們解決的是發(fā)展中的資源環(huán)境等各個方面的問題，首先我們應該著于目前有限的技術引起的技術問題。在工業(yè)的碳化硅生產中，我們需要關注的是生產制造綠色的低碳化。就得要依靠技術去升級，來提高生產的規(guī)模，必須注重生產過程中的一些問題，例如碳化硅回收和粉塵處理以及水的循環(huán)再利用等方面，以降低資源利用。據(jù)權威機構IMSResearch5月份公布的報告中預計：2011年全球光伏裝機容量約為21GW。假設切割全部用新碳化硅精細微粉按照1:2的比例計算，則2011年最樂觀估計也就42萬噸左右；加上回收砂的再利用及切割技術的不