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碳化硅中的杂质是怎么产生的?
本站 2021-10-09
    碳化硅硅冶炼生产中尽管注意了选用比较纯净的原料,但炉料中杂质的含量仍有0.5--2%,电工碳化硅冶炼炉中,杂质的含量更可高达5%。这些杂质主要是铝、铁、钙的氧化物,他们对碳化硅冶炼的进程及冶炼出的成品都有重要影响。
氧化铁(Fe2O3)
    氧化铁被一氧化碳还原成全属,在12001时这种金属在炉料内呈单独的细点状。随着温度升高到1600--1650°C,金属的流动性加大了,因而这种细点就溶合在炉料的颗粒上了。这时,和碳素材料颗粒相接触的铁点溶解了碳。因此不仅在气相和固相之间,而且也在气相和液相之间发生生成碳化硅的反应。这不但加快了生成碳化硅的过程,而且还促使碳化硅结晶成形状比较规则的固体。
       液相铁的存在有利于碳化硅从立方转变为六方或菱面体结晶,使这个过程在比较低的温度(约1850--19OO°C )下就能发生。
      在铁的催化作用下生成的碳化硅,在2100°c时成为由形状规则的厚板状和筒形晶体所组成的集合体,在晶体之间夹有小块的金属合金。这种碳化硅磨料制造的陶瓷磨具在烧成中容易形成铁斑和发红,因此必须进行磁选将其清除出去。当温度超过2100 °C时,产生了铁合金蒸发现象,造成了铁在炉内的一定程度重新分配和向外扩散。
氧化铝(Al2O3)
     氧化铝在1600--l650°c时溶解在二氧化硅溶液内,并部分地以莫来石的形态析出。当溶液内的氧化铝含量不超过3%时,溶液的粘度非常高,以至于在1650--1750°C时还凝成圆球状,而仅在个别情况下才溶附在焦炭的颗粒上。若溶液内的氧化铝含量再高一些,就会显著地降低溶液的粘度(成分为95% Si02和5%Al203 的共晶体的熔化温度为1595°C ), 以至于在 1700°C时它就裹住了部分方石英和焦炭的颗粒,妨碍了生成碳化硅的反应。
    温度超过1750°C后,二氧化硅溶液发生剧烈的蒸发,氧化铝被碳还原成金属或被碳置换生成碳化铝,但碳化铝在高温时不稳定,而有相当程度的分解。
    在2100--2200°C时,很大一部分金属铝及碳化铝蒸发了,进入炉休中比较冷的区域。部分碳化铝保留结晶状态而和碳化硅形成固溶体。铝掺入碳化硅的晶格会使后者结晶成细小片状。
氧化钙(CaO)
    氧化钙和氧化硅生成易溶的流动性极大的溶液。这种溶液在1500°C时就已经以极薄的膜裹住了碳素材料的颗粒,将它们和石英材料的颗粒胶结在一起,使炉料在某种程度上变成致密的烧结物。这样,陷在溶液内的碳素材料颗粒就不可能和硅化剂接触了。 另外,石英颗粒溶结成了集合体就会减少单位表面积,因而也就减少了反应料中硅化剂蒸气的数量。这种情况会阻碍生成碳化硅的反应,并导政生成细结晶的碳化硅
    在较氧化铝还原更高的温度下,氧化钙被还原成金属或碳化物,其中大部分随后蒸发离开了反应区,在炉的较冷部位凝集。极少部分的钙保留在反应区内,促使生成形状和构造都象碳化钙晶体的六方碳化挂集合体。
    含有氧化钙的二氧化硅洛液,能降低铁的矿化剂效能。还在1600°C时,部分铁质金属球体即已陷入二氧化硅溶液。随着温度的升高和含氧化钙的二氧化硅溶体流动性的加大,氧化钙包围了原先处于游离状态的金属球体,并从球体表面剥下已生成的碳化硅细小晶体。因此,含有碳化钙不仅造成了阻碍碳素材料颗粒硅化的溶液,而且还破坏了铁的积极作用。
    在二氧化硅溶液内同时存在氧化铝和氧化钙,对于碳化硅的生成过程有极其不良的影响。这是因为生成了一种溶点极低的溶液,这种溶液在生成碳化硅的反应温度下不仅流动性很大,而且 有很大的化学活性。因此,含有氧化铝和氧化钙的二氧化硅溶液不仅裹住和胶结住炉料的颗粒,从而阻碍生成碳化硅的反应,而且还使得原先在碳素材料颗粒表面上所生成的细结晶碳化硅分解。
    实验证明,炉料内氧化钙与氧化铝的总含量如果达到了3%,就会使一级碳化硅结晶产物大约减少40%,并且会使冶炼出的成品碳化硅质量不达标,影响使用。