文/言乐文
编辑/言乐文
碳化硅是一种非氧化性陶瓷材料，其优良的电子性能使碳化硅，成为许多工业应用中非常有前途的材料。
在较高的温度下，碳化硅具有较高的硬度和机械强度，以及优良的导热性。同时它还具有热膨胀系数低，熔点高，耐腐蚀和氧化能力强，带隙宽大的优点。
制造碳化硅的方法多种多样，如艾奇逊法、物理气相沉积法和化学气相沉积法。在工业硅(SI)生产过程中，碳化硅也是一种重要的化合物。
在SI炉中，碳(c)源的一部分由于与炉中，产生的一氧化碳气体的相互作用，而转换成碳化硅。在硅工业生产中最常用的碳质材料是木炭、煤和石油焦。
所有的多型碳化硅都有相同的成分，而且硅和碳原子是共价结合的。尽管如此，每一个碳化硅多型都有自己独特的一套电子特性。
在碳化硅的生产过程中，氧化硅的反应性取决于碳材料的结构、性质和类型，并已被广泛研究。
在SI炉的外部反应区，温度在700℃至1800℃之间，由于其与氧化硅(G)的相互作用，碳源转换为碳化硅和一氧化碳(CO)。
在外区形成的碳化硅将下降到炉的下一部分，称为内区，其温度从1800℃到2000℃或更多，并与氧化硅反应形成硅。
工业硅过程中的一个重要问题是碳化硅的积累，而碳化硅还没有完全消耗在炉内区。
在40兆瓦硅、17兆瓦铁硅等工业炉的挖掘过程中，已观察到在炉缸内的碳化硅积累。地壳中沉积的碳化硅的结构，与碳转换的碳化硅的结构相比有所不同。
最初形成的碳转化碳化硅具有与原碳材料相同的结构，原碳材料是立方型的 β -SiC (3C)。然而，在SI炉中的碳化硅外壳是黑色的，占据了更大的体积，从底部到顶部充满整个炉的内部部分。
碳化硅地壳可能是由转化后的碳颗粒形成的，从工业硅炉壳中挖掘出的碳化硅，超过90个PCT。这些气体通道中形成树突状的碳化硅沉淀物。
研究表明，由木炭、煤和石油焦炭在1750℃至1900℃的温度下生产的碳化硅，被确认为 β -西印度群岛 α -。
尽管已有大量文献记载了，商用碳化硅的性质，但对硅工业生产过程中形成的，各种多类型碳化硅的形成过程和性质，并没有进行同样的研究。
了解不同碳材料所产生的碳化硅的特性，以及它们在高温下所发生的变化，可能有助于电子应用和SI工业的发展。
为此，我们研究了 β -至 α -碳化硅、温度的影响、原始碳材料的性质，以及元素硅的存在 β -。
一、碳化硅在高温下的性能
为了研究碳化硅在高温下的性能，我们生产了 β -在实验室的感应炉中。以木炭、煤炭和石油焦为原料生产， β -碳与氧化硅(G)按反应的相互作用。
两种碳化硅原料， 含有不同量硅的碳化硅被用于进一步转化 α。单位中硅的含量 β -使用X射线荧光(X射频)仪器定量估算碳化硅。
β -从感应炉中收集的碳化硅，一种是部分转化为碳化硅，其中残留一些未反应的碳，另一种是碳化硅，其中含有不同量的元素硅。
采用石墨管加热炉，加热由石墨腔组成的 β -碳化物样品，并调查其转化为 α -。该炉配备了高温计，以便在实验期间不断测量温度。
在反应室内放置了一个外径为40毫米、高度为65毫米的小石墨熔炉，以加热 β-尺寸在5至6毫米之间的碳化硅微粒。
整个过程是在惰性气体和CO混合物的气氛中进行的，这是通过安装在石墨腔内的气体长矛引入的。
用CO气体模拟工业硅炉内的大气，凝结室充满了2-4毫米大小的煤粒，以捕捉挥发性物质，它们还保持了气体长矛的位置。热处理实验选择2100℃至2450℃的温度范围。
在加热之前，炉膛中的ARR气体以0.5升/分钟的速度被净化20分钟，然后疏散到0.240mbar左右的残余压力。然后，石墨圆筒在1自动取款机上填充AR，以去除吸附在炉内石墨部件上的水分和空气成分。
当加热炉开始加热时，一个0.5升/分钟CO和0.3升/分钟，AR的混合物被同时注入反应室，在反应室中含有小石墨熔炉。
β -放置了碳化硅微粒，在2450摄氏度下进行的实验的温度分布 β -。加热炉以10℃/分钟的速度达到目标温度。
当温度达到目标值时，它被保存了1小时，在加热的同时 β -碳化硅微粒，惰性气体在超过1800℃的温度下从AR转换为HE，以防止在更高温度下的AR电离，并使加热炉安全运行。
早期的研究表明，由保存在反应室外的高温计测量的温度，与石墨熔炉底部实际测量的温度之间，存在着约15℃的差异。
为了研究热处理后形成的碳化硅相，利用X射线衍射(XRD)技术，并在扫描电镜下对样品进行了分析。
对于XRD分析，每个样品的一部分被粉碎成粉末在磨机中，使用碳化钨盘，并被装到一个反负载样品架。
用布鲁克D8聚焦X射线衍射仪，收集每个样品的X射线衍射图，采用布拉格布伦塔诺收集模式，利用里特韦尔德整体模式拟合技术，从XRD数据中定量分析了每一个样品中的碳化硅多类型。
选择最常见的多型3c型、4H型、6H型和15R型进行拟合分析，用能量色散X射线光谱仪，对样品形态进行了现场发射扫描电镜的研究。
采用电子探针微分析器，对样品进行了反散射电子成像(BSE)，对样品进行了定性元素映射。
二、不同相的稳定性取决于碳化硅颗粒中的硅含量
在扫描电镜下研究了，碳化硅颗粒热处理前后的表面形态，β -在木炭、煤和石油焦炭表面形成的碳化硅颗粒，用于热处理实验。
这些微粒是在1900℃时产生的，木炭和煤炭的改造 β -碳化硅颗粒中没有未反应的碳，而石油焦化物中有一些未反应的碳，表示粒子尚未完全转化为 β。
新形成的晶体密度大，呈六角形，随着温度的上升，更多的这样的晶体形成。
由木炭转化而成的X射线衍射图， β -含9吨PCT硅和39吨PCT硅的碳化硅粒子，在加热前，这些样品的硅强度较高。然而，加热后，SI峰的强度逐渐减小。
样品表现出各种结构多态性，尤其是3c和6h，碳化物阶段显示有相当多的障碍/堆叠缺陷的证据，导致3c-SIC(111)位置的峰值扩大。
碳化硅晶体缺陷引起的高强度堆叠断层，导致2的额外峰值 θ =33.7度及38.3度。起始材料的这些高密度缺陷，也与 β 到 α 转变，重合的 β -提供了高密度的 α -碳化硅成核。
显而易见，加热具有高强度硅峰的碳化硅粒子，会在位置上引起峰的扩大和新峰的形成。硅在碳化硅中的含量增加了 α 在这种情况下。
结果表明，在几乎没有多少硅的碳化硅粒子中，堆叠断层开始减小，在2100℃时，峰值扩大消失。
在此期间，几乎没有发现任何3c-SIC相 β -经2450℃高温处理后，使用39吨PCT元素硅。
在2450℃时， β -含18.8吨PCT硅的碳化硅样品以6H为主要多型，其中还含有少量的15R。
不过， β -元素硅在2450℃加热后，含有8.7吨PCT的碳化硅样品，除了3c和6H之外没有显示任何多型。
三、温度影响多元化的碳化硅
温度是决定环境变化的主要因素之一， 即温度是一个主要的因素影响多元化的碳化硅，温度上升会导致立方体形式的原子热扩散上升。
因此，在碳化硅中原子的重新排列，将导致不同的原子的形成，α -碳化硅多种类型。
硅元素在碳化硅颗粒中的存在，提高了其转化的程度。 β至 α是由木炭转化而成的 β -在2100℃至2450℃时，元素硅热处理为0、9和39吨PCT的演变。
随着温度的增加，碳化硅颗粒中的硅含量也导致其六方性的增加，揭示元素硅在 β -碳化硅粒子向 α -转变可能是在2100℃时。
元素硅和原碳源，都是决定碳排放范围的重要因素，同煤和石油焦炭相比，由木炭转化的 β -硅元素的碳化硅的转化程度最高，表面积最大。表面积越大，就越有可能利用成核点。
α -碳化物阶段，成核和晶体生长的热力学驱动力，随表面积的增加而增加， 这可能是木炭转化的最大程度转变的主要原因。
我们推测，所选碳材料中的杂质，并没有在转化过程中发挥任何重要作用。
所有工业样品都有相似的元素分布，并显示其中含有铁、铝、钙和O。
因此可以推断，工业硅生产过程中，随着碳化硅中的温度和元素硅含量很高，杂质也可能会增加向 α 。
实验室生产的碳化硅样品，仅暴露在CO(g)大气中，而工业炉中的气体大气则是随着CO(g)的部分压力增大的结果。
此外，工业样品可能经过几天和几周的高温接触，而不仅仅是几个小时。所有这些因素都可能影响到 α-工业碳化物样品中的碳化物形成。
从热力学的角度看，在温度超过2000℃的情况下，碳化碳也可以作为几种气体形成。用HSC化学9软件，计算出了2000℃温度下，碳化硅气体种类的平衡局部压力。
如果元素硅 β -碳化硅样品的温度，接近或高于碳化硅、富含硅的气体和碳的分解温度在较大的局部压力下形成。
硅和碳化硅的局部压力，高于在这些温度下形成的硅和碳等其他气体种类，根据气体种类的平衡浓度和反应的自由能值，硅(G)和碳化硅(碳化硅)之间的反应，很可能从气体种类中形成碳化硅。
在这两种反应之间，反应有最大的负自由能，比反应更稳定，使用HSC化学9软件计算的气体种类中，导致碳化硅形成的可能反应的自由能值的演变过程。
硅和碳化硅的高气压，可能促进这两种气体之间的反应形成 α 。其中一些气体可能会 α -在高温下，形成工业中发现的树突状结构 α -碳化物样品。
四、结论
β -外区形成的碳化物进入炉体的内区，高温使其转变为 α含有各种硅的多态性。
为了研究在这些较高温度区的碳化硅的结构变化，在石墨管炉中进行了2100℃至2450℃的热处理实验。
我们采用了在SI生产过程中主要使用的碳源，如木炭、煤炭和石油焦炭。两种类型的 β -碳化硅，一种不含任何元素硅，另一种含有不同量元素硅，经过热处理。
热处理实验结果表明，影响转化程度的主要因素有三 α -碳化硅，β -碳化硅微粒和产生碳材料的类型 β -。
从木炭变成的 β -碳化硅粒子，容易转化为 α -在2100℃时，相对于 β -从煤和石油焦炭中提取。碳化硅粒子中元素硅的含量较高，使得能够形成 α -按2100℃计。
此外，在2000℃以上的温度下，碳化硅也可作为气体种类形成。当这些气体流向炉内温度相对较低的区域时，它们在2000℃左右凝结。大多数气体凝结成固体碳化硅 α 元素硅。
数量 α -工业样品中的碳化硅多型，比 α -实验室生产的碳化物样品。在工业硅过程中，随着温度的升高和碳化硅中元素硅含量的增加，杂质也可能提高了转变程度。