近几年，纯天然硅天然资源多样地区的政府所致产业发展发展经济的权衡，积极主动促进纯天然硅产业发展的产业发展发展，刮起了以纯天然硅为原金属材料合作开发仿生硅制品的风潮。

应该说先进经验仿生硅的制取工艺技术，合作开发硅新产品，可说是两条开拓纯天然硅专业领域的有效途径，但由于两者在内部结构、操控性和商业用途等方面譬如联络又有差别，因而有必要性进行预测和探讨，使运营者与科技人员能正确认识和使用纯天然硅金属材料，使纯天然硅新产品的合作开发更为身心健康高效率。

硅的基本上内部结构、物理性质与进行分类

硅的分子内部结构

硅是由单个碳元素组成的化学物质，分子内部结构属单斜，呈八边形柱状内部结构。微观上氧原子以sp2杂化近地点逐步形成的σ键和Pz近地点逐步形成的离域π键并重，逐步形成稳固的方形分柱状正方形，碳-氧原子宽度为1.42Å，氧原子间具有很强的键能（345KJ/mol），而氧原子正方形之间则以偏弱的静电力力紧密结合（键能为16.7KJ/mol），微观宽度为3.354Å。

硅较软，呈黑棕色；有无弹性，可环境污染油墨。延展性为1~2、方法论表面积为 2.26g/cm3 。

自然现象中没有纯洁的硅，纯天然硅矿石中常常所含SiO2、A12O3、FeO、CaO、P2O5、CuO 等沉淀物。

这些沉淀物常以钛、褐铁矿、硫化物等矿石形式出现。 此外，还所含水、烃类、CO2、H2、N2等液体。耐热轴承如何界定

因而对硅的预测，除测量一般来说碳浓度外，还必须同时测量蒸发分和三乙醇胺的浓度。

硅的基本上物理性质

由于其特殊的内部结构，硅具有如下优异物理性质：

（1）耐热性 ：硅是最耐温的化学物质之一，在常压下无熔点，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失也很小。

（2）导电、导热性：硅的导电性和导热性较高。导热系数随温度升高而降低，在极高的温度下，硅甚至成为绝热体。

（3）润滑性 ：硅的润滑操控性取决于硅晶粒大小和晶体发育程度，硅晶粒越大，晶体发育越完善，摩擦系数越小， 润滑操控性也越好。

（4）化学稳定性 ：硅在常温下具有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。

（5）可塑性 ：硅具有一定的韧性，可进行简单的机械加工，晶体发育程度较高的硅甚至可碾成很薄的薄片。

（6）抗热震性 ：硅热膨胀系数很小，使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏。

硅的进行分类及特点

硅可分为纯天然硅与仿生硅，两者内部结构相近，物理化学物理性质相同，但商业用途有较大的差异。

01

纯天然硅

纯天然硅是富碳有机物在高温高压的地质环境长期作用下转变而成的，是大自然的恩赐。纯天然硅的工艺技术特性主要决定于它的结晶形态。结晶形态不同的硅矿石，具有不同的工业价值和商业用途。耐热轴承如何界定

纯天然硅的种类较多，根据结晶形态不同，工业上将纯天然硅分为致密结晶状硅、鳞片硅和隐晶质硅三类。我国主要有鳞片硅和隐晶质硅两大类。

致密结晶状硅又叫块状硅。此类硅结晶明显，晶体肉眼可见。颗粒直径大于0.1毫米。晶体排列杂乱无章，呈致密块状构造。品位很高，一般碳浓度为60%~65%，有时达80%~98%，但其可塑性和滑腻性不如鳞片硅。

纯天然鳞片硅属于结晶学中的伟晶，是一种单晶体，因其晶体呈鳞片状而得名，有大鳞片和细鳞片之分。这种硅的润滑性、可塑性均优于其他类型硅，因而它的工业价值最大。

鳞片硅矿石的品位虽然不高，碳浓度一般在3%～25%之间，但却是自然现象中可浮性最好的矿石之一，经过多磨多选可得高品位的硅精矿。

隐晶质硅又称非晶质硅或土状硅，近几年开始称为微晶硅。这种硅的晶体直径一般小于1微米，只有在电子显微镜下才能见到晶形，可看作硅晶体的集合体。

纯天然微晶硅通常是煤在高温高压的地质环境下转化而成的，因而纯天然微晶硅通常与煤伴生，在纯天然微晶硅矿体中经常可以看到从无烟煤到纯天然微晶硅的过渡区域。

此类硅的特点是表面呈土状，缺乏光泽，润滑性低于鳞片硅且可选性较差。但品位较高，碳浓度一般为60%~80%，少数高达90%以上。耐热轴承如何界定

02

仿生硅

仿生硅类似于结晶学中的多晶体。仿生硅种类繁多，生产工艺技术千差万别。广义上，一切通过有机物炭化再经硅化 高温处理后得到的硅金属材料均可统称为仿生硅，如炭（硅）纤维、热解炭（硅）、泡沫硅等。

而狭义上的仿生硅通常是指以沉淀物浓度较低的炭质原金属材料（石油焦、沥青焦等）为骨料、煤沥青等为粘结剂，经过配料、混捏、成型、炭化（工业上称为焙烧）和硅化等工序制得的块状固体金属材料，如硅电极、等静压硅等。

纯天然硅与仿生硅的差别与联络

鉴于以纯天然硅为原金属材料制取出来的通常是狭义的仿生硅，因而本文仅预测和探讨纯天然硅与狭义上的仿生硅的差别与联络。

分子内部结构

纯天然硅的晶体发育较完善，纯天然鳞片硅的硅化度通常在98%以上， 而纯天然微晶硅的硅化度通常在93%以下。

仿生硅的晶体发育程度取决于原金属材料及热处理温度，一般来说，热处理温度越高，其硅化程度也越高。目前工业生产的仿生硅，其硅化程度通常低于90%。

组织内部结构

纯天然鳞片硅是一种单晶体，组织内部结构较简单，仅存在结晶学上的缺陷（点缺陷、位错、层错等），宏观上表现出各向异性的内部结构特征。纯天然微晶硅的晶粒较小，晶粒之间杂乱排列且存在沉淀物脱除后的孔洞，宏观上表现出各向同性的内部结构特征。耐热轴承如何界定

仿生硅可看作是一种多相金属材料，包括石油焦或沥青焦等炭质颗 粒转化的硅相、包覆在颗粒周围的煤沥青粘结剂转化的硅相、颗粒堆积或煤沥青粘结剂经热处理后逐步形成的气孔等。

物理形态

纯天然硅通常以粉体形态存在，可以单独使用，但通常与其它金属材料复合后使用。

仿生硅的形态较多，譬如粉状，也有纤维状和块状，而狭义的仿生硅通常为块状，使用时需加工成一定形状。

理化物理性质

纯天然硅与仿生硅譬如共性，也存在操控性上的差异。如纯天然硅与仿生硅都是热和电的良导体，但对于相同纯度和粒度的硅粉体来说，纯天然鳞片硅的传热操控性和导电操控性最好、纯天然微晶硅次之，仿生硅最低。

硅具有的较好的润滑性和一定的可塑性，纯天然鳞片硅的晶体发育较完善，摩擦系数较小，润滑性最好，可塑性最高，而致密结晶状硅和隐晶质硅次之，仿生硅较差。

专业领域

硅具有许多优良的物理性质，因而在冶金、机械、电气、化工、纺织、国防等工业部门获得广泛应用。耐热轴承如何界定纯天然硅与仿生硅的专业领域譬如相互重叠的部分，也有不相同的地方。

在冶金工业中，纯天然鳞片硅因抗氧化性较好可用于生产镁碳砖和铝碳砖等耐火金属材料。

仿生硅可以作炼钢电极，而纯天然硅制成的电极就难以用于使用条件较苛刻的炼钢电炉。

在机械工业中，硅金属材料通常用作耐磨和润滑金属材料。纯天然鳞片硅的润滑性较好，常用作润滑油的添加剂。

输送腐蚀介质的设备，广泛采用仿生硅制成的活塞环、密封圈和轴承，工作时无需加入润滑油。

纯天然硅与高分子树脂复合金属材料也可用于上述领域，但耐磨性不如仿生硅。

仿生硅具有耐腐蚀、导热性好、渗透率低等特点，在化学工业中广泛用于制作热交换器、反应槽、吸收塔、过滤器等设备。

纯天然硅与高分子树脂复 合金属材料也可用于上述领域，但导热性、耐腐蚀性不如仿生硅。

以纯天然硅为原金属材料合作开发仿生硅

实际上，先进经验仿生硅的制取工艺技术合作开发硅新产品，在仿生硅行业早已不是新鲜话题。以纯天然硅作主要原金属材料或辅助原金属材料按仿生硅生产工艺技术制取的炭硅制品已很多，有的甚至已逐步形成较大的产业发展。

锌锰电池炭棒：以纯天然微晶硅和煤沥青为主要原金属材料，经混捏、挤压成型、焙烧、机加工、浸蜡等工序生产的锌锰电池（俗称干电池）炭棒。

主要利用纯天然微晶硅的高导电性和价格低廉的特点，对三乙醇胺浓度要求不高，但对铁、硫等沉淀物浓度的要求较严格。耐热轴承如何界定

纯天然硅电刷 ：以纯天然鳞片硅和煤沥青为主要原金属材料，经混捏、轧片、磨粉、模压成型、焙烧（必要性时还需硅化处 理）、机加工等工序生产的电机电刷。

主要利用纯天然鳞片硅的高导电性和高取向性的特点，要求铁、硫等沉淀物浓度较 低且三乙醇胺浓度不高于2%，机加工时要注意鳞片硅的取向。

机械用炭硅金属材料 ：以纯天然硅和煤沥青为主要原金属材料，经混捏、轧片、磨粉、模压成型、焙烧等工序生产的块状金属材料， 需根据使用要求进行精密机加工。

主要利用纯天然硅的润滑性和耐热、耐腐蚀的特性，对三乙醇胺和沉淀物浓度有较高要求。

从上述几个例子可以看出，与狭义的仿生硅相比，以纯天然硅作主要原金属材料或辅助原金属材料，按仿生硅生产工艺技术制取的炭硅制品在生产工艺技术和产品操控性等方面存在以下差别 ：

（1）前者通常需要经过2500℃以上的硅化处理，以获得所需的理化操控性，而后者既可以经过硅化处理，也可以不经过硅化处理。

为降低生产成本通常不进行硅化处理，因而其组织内部结构中存在由粘结剂沥青转化而成的炭相。

这种位于硅颗粒 周围并使硅颗粒紧密结合在一起的炭，延展性较大、导电性远低于纯天然硅，因而对产品的使用操控性有较大影响。耐热轴承如何界定

（2）由于纯天然硅通常以粉体形态存在且与煤沥青的紧密结合力较差，以纯天然硅为原金属材料制取的炭硅制品通常存在气孔率较大、机械强度偏低、抗氧化性和抗热震性较差等缺点，因而产品规格不能太大，专业领域也受到较大的限制。

根据上述预测和探讨，笔者认为以纯天然硅为原金属材料合作开发仿生硅时，在技术方面需要注意以下几个问题 ：

纯天然硅的表面改性。与石油焦、沥青焦等炭质原金属材料相比，纯天然硅的表面含氧官能团较少，活性较低，与煤沥青的紧密结合力较差，

因而以纯天然硅，特别是纯天然鳞片硅作主要原金属材料，按仿生硅生产工艺技术制取的炭硅制品不可避免地存在力学操控性较差的问题。需要对纯天然硅进行适当的表面处理，增加其表面含氧官能团浓度。

纯天然硅的纯化。石油焦、沥青焦等炭质原金属材料的纯度较高，三乙醇胺浓度通常低于0.5%，而经浮选处理的纯天然硅的纯度较低，碳浓度通常在90%以下，

因而以纯天然硅为原金属材料制取的炭硅制品常常因纯度较低，综合操控性较差而使其专业领域受到限制。对纯天然硅进行高纯化处理，是解决这一问题的途径之一。

化学纯化成本较低，但洗涤过程中用水量大，环境污染较大，而高温纯化则存在成本较高的问题。也有人认为可以先按仿生硅的生产工艺技术制取出块状硅，再通过2500℃以上的高温热处理，耐热轴承如何界定

在使炭相硅化的同时去除纯天然硅相中的沉淀物，但一是增加了生产成本，二是沉淀物气化后逐步形成的缺陷常常会造成产品操控性下降。

纯天然硅的粒度。为了改善工艺技术操控性和产品操控性，除细内部结构炭硅制品外，大多数炭硅制品在配料过程中都需要采用不同粒级的炭质原金属材料，某些大规格制品，炭质原金属材料的颗粒尺寸甚至达到16毫米，而经浮选处理的纯天然硅常常呈细粉状，颗粒尺寸仅几十到几百微米，因而以纯天然硅为原金属材料仅限于制取细内部结构炭硅制品。

虽然可以获得粒级不同的纯天然微晶硅，但因其纯度较低，高温纯化处理成本过高，所以也未见以纯天然微晶硅为原金属材料制取粗内部结构炭硅制品的报道。 为解决大颗粒纯天然硅缺乏的问题，建议采用仿生硅行业处理炭 黑原金属材料时的二次焦工艺技术。

制取过程的体积收缩。在仿生硅的制取过程中，特别是在硅化过程中，由于氧原子的排列逐渐向规整的硅内部结构转变，因而制品的体积收缩较大。

这种体积收缩的有利之处是可提高制品的表面积，但收缩不均匀时，容易造成制品开裂。而以纯天然硅作原金属材料时，由于炭化和硅化过程的体积收缩较小，因而制品的表面积和力学操控性较低。

此外，在以纯天然硅为原金属材料合作开发仿生硅时，还需要考虑综合生产成本的问题。耐热轴承如何界定

由于经过浮选的纯天然硅的价格与煅后石油焦、沥青焦相近，而再经过纯化处理至碳浓度达98%时，纯天然硅的价格已接近煅后石油焦、沥青焦的二倍，因而除了前述的几种已逐步形成较大产业发展的炭硅制品外，大多数技术路线和技术措施的提出都会使生产成本大幅度增加。

结 语

综上所述，以纯天然硅为原金属材料合作开发仿生硅制品可说是开拓纯天然硅专业领域的有效途径之一。

纯天然硅作为辅助原金属材料早已用于部分仿生硅生产，但以纯天然硅为主要原金属材料合作开发仿生硅制品还存在较多需要解决的问题。

充分认识和利用纯天然硅的内部结构与特性，采用适合的工艺技术路线和方法，生产具有特殊内部结构、操控性和商业用途的仿生硅产品，应该是实现这一目标的较佳方式。