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金刚砂
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工业上首先被用作研磨材料中最坚硬的碳化硅--金刚砂
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在合成材料中,金刚砂也是引起我们研究兴趣的一种材 料.它的组成为碳化硅SiC,是一种具有很高硬度和重要技 术价值的人造材料。目前全世界的金刚砂年产量已超过千万 吨。
众所周知,金刚石是由一类结晶形的碳组成的物质,而 金刚砂是碳和硅组成的晶体。在元素周期表中,碳和硅是同 一族的元素,因而两者的性质极其相似,都是难熔的坚破晶 体。
金刚砂的晶体也同金刚石一样,在光照下,它可以岌生 各种折射,发出耀眼的光辉。金刚砂的硬度达到莫氏9度 (金刚石为10度),所以它也是世界上硬度最大的材料之一。
人们最早是在发现金刚石的地方,从角砾云母橄榄岩中 拉副金刚砂的,可见这两种矿物的生成条件相似。但它们在 地球上的含量都很稀少。
现在人工制造金刚砂是在电炉中进行,所用的原料是研 细的石英砂和高质里的焦炭。在高温下,碳先变成一氧化破; 一筑化碳夺取氧化硅里的氧而使硅还原出来。在高温下,硅 升华了,又与未作用的焦炭反应,生成碳化硅,即金刚砂。
在原料中还加进食盐与锯末,目的是使得反应混和物中 有足够的孔隙以便带走放出的气体。
碳化硅在1600℃时就巳经形成,但在1900-2000度时才 开始形成六角形状的排列并逐渐长成大晶体,这样的过程约 要30-40小时。
尔后再慢慢冷却炉子,取出未反应的原料、反应的中间 产物和我们要的产物金刚砂。
工业上用的人造金刚砂(含SiC97%)通常是有颜色的, 最常见的有黑色或绿色。这些颜色与金刚砂中含有其他杂质 有关。
金刚砂在工业上首先被用作研磨材料。前面巳经讲过, 它的硬度很大,因此可用金刚砂来磨削瓷制品、大理石、花岗岩之类的坚硬材料,也可以用它来加工韧性的材料,如青铜等。但由于金刚砂性能较脆,因而比起刚玉(氧化铝)来,它的使用范围要小一些。
有时人们利用金刚砂耐磨的特性,把它渗到建筑材料中 铺成人行道路面,比如火车站或地下电车站这些每天都有成 干上万人出入的场所,这样就可以保证路面经久耐用。虽然行人的鞋底较赛易磨损些,但要在那样人流洪峰的地方经 常修路面是更为麻烦的事,因此首先要考虑路面的结实与耐磨。
金刚砂还广泛地应用于冶金和化学工业,这是由于金刚 砂除了质地坚硬外,还有其他一些优良的特性:对氧和大多 数酸的稳定性。因此只有硝酸和氮氢氟酸的混酸才能腐蚀它, 磷酸则要温度高于230℃时才与之作用,这样耐酸腐蚀的材 料在自然界并不常见。
纯的碳化硅一般是不导电的,但如果碳、硅的成分比例 恰当,则可成为半导体。这种半导体与其他一些半导休如 硅、锗等不同,是一种特殊的半导体材料,即使温度高达 1000度,仍具有半导体性能。半导体的碳化硅是用不同于人 造金刚砂的方法制备的,在这里就不再详述了。
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