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      碳化硅的小故事:合成人造鉆石中的一個“美好意外”
      2020年02月05日 發布 分類:粉體入門 點擊量:2303
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      碳化硅可以做的事情有很多,磨料、刀具、結構件、催化劑載體等等……但是今天不討論它有多了不起可以發揮多少作用,而是聊一些更為輕松的話題,比如說——碳化硅到底是怎么被弄出來的。

      碳化硅及其晶體的球棒模型

      談到碳化硅的起源,就不得不提到人造鉆石——自1797年人們發現鉆石幾乎是由純碳組成的礦物開始,希望能夠通過人工控制方式將其生產出來的嘗試就沒有停止過。比如說在早期報告中,有一例比較可信的就是英國化學家詹姆斯·巴蘭坦·漢內,他在1880年時于泰晤士報上公開宣布,其通過在模仿炮管制備的鐵質卷筒內填充石蠟等反應材料,并在大型反射爐中灼燒的實驗中獲得的透明碎粒狀物質就是鉆石。不過他一共進行了83次實驗,只有3次獲得了同種物質,由此可見人造鉆石實驗的成功率有多低,而碳化硅,就是在這無數的失敗的人造鉆石實驗中意外誕生的。

      1824年,瑞典科學家Jons Jakob Berzelius在合成金剛石時觀察到碳化硅(SiC)的存在,就此拉開了人類對于碳化硅材料研究的序幕。直到1891年,美國人艾奇遜(E.G. Acheson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偶然得到了碳化硅,他將得到的藍色晶體誤認為是一種由碳和鋁構成的類似剛玉的物質,故取名金剛砂。但無論如何,他就這樣發現了能真正實現碳化硅的大量制備的工藝。

      艾奇遜(E.G. Acheson

      1893年,艾奇遜研究出來了工業冶煉碳化硅的方法,也就是大家常說的艾奇遜爐,并在228日時為這種合成碳化硅粉末的方法申請了專利保護且,之后一直沿用至今。這種方法是同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,合成的碳化硅會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。

      同樣在1893年,亨利·莫瓦桑在研究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,并將之命名為莫桑石,之后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),但在1903年時莫瓦桑還是將碳化硅的發現歸功于艾奇遜。

      放大14倍的莫桑石(圖片來源:Wikimedia Commons

      就是這樣的一次“意外之喜”,將碳化硅推至了歷史的舞臺上,讓人不得不感慨化學的神奇性。如今,碳化硅已經成為了重要的工業必需品,憑借自身的獨特性能在各行各業發揮著關鍵作用。從最基礎的磨具磨料到極具科技含量的半導體產品,碳化硅一直在科研人員的推動下不斷地“進化”著,之后它還會為我們帶來什么驚喜呢,就讓我們拭目以待。

      粉體圈 小榆


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