什麼是碳化矽(SiC)?其在耐火材料中怎麼應用?

碳化矽(SiC)又稱金剛砂，天然的很少，工業上用的都為人工合成原料。它有兩種晶型：低溫形態的β-SiC，屬於立方結構，高溫形態的α-SiC，屬於六方結構。其真密度為3.21g/cm3，分解(升華)溫度為2600℃。它是一種硬質材料，其莫氏硬度為9.2。SiC的熱膨脹係數不大，在25℃~1400℃範圍內，SiC的平均熱膨脹係數為4.4×10-6/℃。

SiC具有很高的導熱係數(58.6W/m·K)。由於測定方法及被測試樣氣孔率、氣孔形狀不同，所以文獻中數值不完全一致。通常SiC含量越高，溫度越低，導熱係數越大。低熱膨脹係數和高導熱係數可使SiC質耐火材料具有良好的熱震穩定性。

（碳化矽）

在低溫下，SiC的化學性質比較穩定，耐磨蝕性能優良，在煮沸的鹽酸、硫酸和氫氟酸中也不受侵蝕。但在高溫下可與某些金屬、鹽類、氣體發生反應。SiC在還原氣氛中直至2600℃仍然穩定，但在高溫氧化氣氛中會發生氧化作用：

SiC+2O2→SiO2+CO2 (1)

此外，SiC材料是一種非氧化物，共價鍵性極強，與氧化物燒結性較差。

碳化矽(SiC)在耐火材料中的應用

SiC因具有熱膨脹係數小、熱導率高、高溫強度大、抗渣性好和可形成保護性氧化等優點而被廣泛用作高性能耐火材料或作為提高耐火材料性能尤其是抗渣性和熱震穩定性的添加物使用。

1、碳化矽(SiC)在定形耐火材料中的應用

在定形耐火材料中，SiC既可以作為主成分製成SiC製品，也可以作為添加成分製成半SiC質製品。

SiC質耐火材料是指以工業SiC為原料經燒制而成的一種以SiC為主成分的高級耐火材料，亦叫SiC製品。SiC製品可按SiC含量、結合劑種類和加入量來分類，材料的性能很大程度上取決於材料中SiC顆粒間的結合狀況，故通常按結合相種類對SiC製品進行分類。根據結合相的不同，SiC製品可分為：氧化物結合SiC、氮化物結合SiC、自結合SiC、滲矽反應燒結SiC等。

氮化矽結合碳化矽磚

半SiC質製品是以SiC為次要成分或輔助成分的含SiC耐火製品。按其材質不同，它可分為粘土熟料SiC製品、高鋁SiC製品和剛玉SiC製品等。由於這類製品含有SiC，因此其熱震穩定性，導熱性和強度顯著提高。如在粘土熟料SiC製品加入少量SiC，對提高製品的熱震穩定性有顯著效果，且隨著配料中SiC細粉含量增加，製品的熱震穩定性逐漸提高;在高鋁SiC製品加入適量SiC(最適宜加入量是30%)，並加入適量磷酸，製品具有高的熱震穩定性與良好的熱傳導性，其強度亦較高;在剛玉SiC製品加入少量SiC細粉可顯著改善其熱震穩定性，隨著SiC細粉量增加，熱震穩定性有規律地提高，如以棕剛玉為骨料，加入10%SiC細粉，用磷酸為結合劑，經高壓成形，到1450℃熱處理而製得的軋鋼加熱爐用滑軌磚，應用效果良好。

2、碳化矽(SiC)在不定形耐火材料中的應用

在不定形耐火材料中，SiC既可以作為主成分製成SiC質澆注料，也可以作為添加成分來改善其它澆注料的性能，尤其是抗渣性和熱震穩定性。本課題主要研究SiC為添加成分時對澆注料性能的影響，故僅就此方面進行綜述。SiC對澆注料性能改善的研究主要集中在剛玉質澆注料和高鋁質澆注料等方面。

鐵溝澆注料

王璽堂等在1999年研究開發了Al2O3-SiC-C質高爐出鐵溝自流澆注料，該澆注料具有強度高、耐侵蝕性好、通鐵量高以及良好的抗熱震性和抗氧化性能等。常玉國等針對國內大中型高爐出鐵溝的使用條件，對傳統的鐵溝澆注料的結構與性能進行了優化，重點研究了碳化矽的加入量、減水劑和中溫燒結劑對澆注料性能的影響，在此基礎上研製成功了一種具有優異中、高溫性能的澆注料，在1050m3高爐上一次通鐵量達10萬t，使用效果良好。SiC在不定形耐火材料中的應用最常見的是用於高爐出鐵溝工作襯，已有20餘年的歷史，使用效果良好。目前，國內外較大型高爐普遍採用的都是Al2O3-SiC-C質澆注料，使鐵溝的使用壽命得以大大延長。此外，含SiC不定形耐火材料還廣泛應用於鋼鐵行業的鐵水預處理器襯體、沖天爐和感應爐襯體;垃圾焚燒爐的燃燒室側牆襯體和鍋爐管保護襯;水泥工業的水泥窯預熱器襯體;火電廠的旋風分離器襯體、循環流化床爐的燃燒室、內襯及高溫分離器;陶瓷行業的燒成窯棚板以及出矽口和出鋁口等。

葉方保等人通過研究SiC加入量(0%、2%、4%、6%和8%)對礬土基澆注料高溫強度及熱震穩定性的影響，指出加入SiC後(4-16%)有利於提高澆注料的高溫強度和熱震穩定性。為了提高高鋁澆注料的燒結物理和耐火性能，ZawrahM.F等人研究了SiC加入量(0%、2%、4%、6%和8%)對高鋁質澆注料性能的影響，研究表明增加SiC的含量可改善高鋁質澆注料的燒結、物理和耐火性能，但是對半成品的強度有所影響。劉新紅等人研究了加入非氧化物(SiC，SiAlON)對礬土基澆注料基質流變性和澆注料流動性的影響。結果表明：加入適量的SiC細粉(不超過8%)有利於提高澆注料流變性;SiAlON細粉對澆注料流變性有不利影響。白宏光等人研究了SiC加入量和粒度對耐火澆注料性能的影響。研究發現，在澆注料基質內加入6%的150目SiC可以改善耐火澆注料的抗熱震穩定性。

綜上可見，加入SiC後可以改善Al2O3-SiO2系澆注料的高溫強度和熱震穩定性。但對SiC抗鉛渣侵蝕性能的研究還未見報導。因此，本文選用SiC為添加物，探討SiC加入量對Al2O3-SiO2系澆注料抗鉛渣侵蝕性能的影響。

SiC作為非氧化物還能在眾多領域中有著廣泛用途，主要是因為它能在其表面生成一層緻密的SiO2保護膜而具有良好的抗氧化性能。但SiC在熱力學上其實很容易與空氣中的氧氣反應。在實際應用中，特別是在高溫、低氧壓和長時間的作用下，SiC氧化速度非常快。因而從本世紀60年代以來，國內外眾多學者對SiC的氧化問題進行了長期大量的研究工作。

常春等通過對SiC表面高溫氧化層的微觀結構的研究，發現SiC材料在1040~1560℃範圍內，產生的氧化層對其高溫下的抗氧化性能的影響有如下特點：1）在1360℃以下，SiC顆粒表面形成的氧化層很薄，微觀結構無明顯變化，抗氧化性能較好，處於抗氧化的穩定階段。2）當超過1360℃後，隨著溫度的提高，SiC表面的氧化層厚度明顯增加。所形成的氧化層存在許多孔洞，但是由於氧化層的逐步增加，SiC仍然表現出足夠高的抗氧化性能，此階段為過渡階段。3）高於1520℃後，氧化層的厚度較大且外表面較為平坦。但處於熔融態的SiO2流動能力較強，使SiC顆粒的稜角處氧化層變薄，SiC氧化反應的氣體易於由此逸出而形成孔洞，為氧的進入提供了通道，使SiC的氧化速度加快，該階段為快速氧化階段。4）表面所形成的SiO2層與SiC基體之間無明顯過渡區域。

周秋生等人對各種純SiC及含有少量雜質的SiC在不同條件下的氧化行為進行了全面系統的綜述，對今後SiC氧化行為的研究具有一定的指導意義。

但SiC添加到Al2O3-SiO2系澆注料中的氧化動力學問題還無人對其進行系統研究。且由於SiC氧化本身的複雜性以及實驗原料和實驗條件不同，得出的結論也有所不同，至今許多問題尚未達成共識，有待進一步深入研究。