碳化硅生成过程的机理
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在二氧化硅为碳还原的电热过程中,根据还原剂的数量以及温度条件、加热速度等,可能得到SiC或金属硅,其总的反应方程式分别是: (1) SiO2+3C = SiC+2CO (2) SiO2 + 2C =Si+2CO 式(1)相应于碳化硅电阻炉的情况,式(2)相当于冶炼金属硅的电弧炉的情况。另
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在二氧化硅为碳还原的电热过程中,根据还原剂的数量以及温度条件、加热速度等,可能得到SiC或金属硅,其总的反应方程式分别是:
(1) SiO2+3C = SiC+2CO
(2) SiO2 + 2C =Si+2CO
式(1)相应于碳化硅电阻炉的情况,式(2)相当于冶炼金属硅的电弧炉的情况。另外,硅的低价氧化物一氧化硅SiO的存在已是确定的事实,其颜色由金黄色到褐色,具有立方晶格,晶格常数a=5.6A,其特点是挥发性比SiO2及都高得多。
这就提出了一个问题,即在碳化硅冶炼炉中SiO2与C之间的反应里程如何,首先形成的是Si、还是SiO还是SiC呢?
从上表的数字可知,从热力学上看,在Si02与C的几种反应中,反应(2)是最可能发生的,它在1498K(1225°C)就可能发生了。但是可能性并不等于现实性。根据化学动力学原理,化学反应的必要条件之一是反应物的分子之间要互相碰撞,故毎一基元反应可以用同时碰撞而发生反应的分子数来分类,多数是单分子反应和双分子反应,三分子反应很少见,四分子反应几乎不可能发生。所以可以推测需要因分子碰撞的反应(2)是很难直接发生的,它不是基元反应,而是一个复杂反应,应有若干中间阶段。 多次的观察及专门的试验证实,在常压下进行Si02的还原时 有气态的sio中间产物生成。
例如,日本昭和电工株式会社设计的立方碳化娃制造炉就是 首先通过挂砂和焦炭的反应制得气态的一氧化桂,再把这种气体通入另一个装有焦炭的反应室来制取碳化娃(日本公开特许公报 昭54-136600号)。
下面的实验可以认为是对通过sio中间产物形成sic的反应机理的一个佐证。 将一根直径l8毫米、含C99.5%、容重1-55克/厘米3的炭棒 埋置在由二氧化娃和碳质材料所组成的配合料中进行桂化,受热硅化后炭棒变成了碳化桂棒,sic含量为85%, 但制品的大小仍旧未变,其容重增大为2-35克/厘米3。
由上述计算可见,按通过sio作为中间产物形成sic的反应 机理算得的制品密度与实际测定得到的结果很好地相符。
值得指出的是,上述实验结果选自苏联卡民采夫(M•B•KA- MEUEB) 的著名著作《人造磨塚材料》,他本想以此作为按方 程sios+ 3c-sic+ 2co—步反应完成的机理的证明,可是他的 计算方法有错误,这个实例反倒成了否定这一机理的证据。 综上所述,在sic冶炼炉中存在sio作为中间产物是十分可 能的,但sio + 2c—sic +co是一个三分子反应,它是一个基兀 反应还是一个需进一步分解的复杂反应还有待深入研究。
碳化硅生产的机理
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