多热源多向流合成电工碳化硅的中试实验研究

论文摘要

目前,工业生产电工 SiC 的方法只有 Acheson 法。该法经过一百多年的不断完善和发展,技术已经相当成熟。但以 Acheson 法生产的电工 SiC 能耗高、产量低、质量差,生产成本居高不下。多热源合成 SiC 技术经过实验室小试、中试和工业试验,技术上逐渐成熟,并在 SiC 行业得到广泛的推广应用。它以多个炉芯代替传统的单个炉芯产生电热,向炉内提供化学反应所需的动力。多个炉芯代替单个炉芯发热能有效地分散合成炉内热量,降低温度梯度,均匀热场,使扩散动力加大、排杂能力更强、SiC 生成区间拉宽,合成的产品能耗低、产量高、质量好。多热源合成 SiC 技术在 SiC 合成方面具有很大的优势,但一直没能在电工 SiC 生产中得到应用。应用多热源合成 SiC 技术合成电工SiC,降低产品能耗、提高产量和质量、降低生产成本,对工业生产来说具有重要意义。 以多热源合成 SiC 技术、利用实验室现有设备进行单热源和多热源电工 SiC 中试合成,研究了合成方法、炉芯间距、表面功率负荷和工艺方法对合成效果的影响。 在传热学基础上,以数学解析法对单热源合成炉内的传热微分方程进行计算,得出温度分布方程。利用一种温度叠加的方法,对多热源炉内热源共同作用的区域的温度进行叠加计算,得出叠加后的温度分布方程。根据合成炉内物质和温度分布的特点,将炉内的温度区域划分成结晶区、反应区和预热区,并给出不同区域的温度分布方程。 对供电末期炉内的传热进行分析,根据能量守恒原理,建立了多热源炉芯数目的判定模型,以工业生产实际对模型进行检验,结果表明模型具有良好的实用性和普遍性。 在数值计算的基础上,应用 ANSYS 软件对合成炉内的温度场进行模拟,研究了合成炉内温度、温度梯度和热流强度的变化规律。 应用 X 衍射和扫描电子显微等手段对单热源法和多热源法合成产物进行测试,结果表明多热源法合成产物无论是晶体含量、结晶类型的一致性,还是结晶形貌特征都比单热源法合成产物好。焙烧料和新料两种工艺合成效果表明焙烧料具有明显优势,生产中应尽可能应用焙烧料工艺。不同炉芯间距、表面功率负荷合成效果差异很大,合成时应根据实际情况选择合适的表面负荷和炉芯间距。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 碳化硅材料的结构、性能及应用
• 1.1.1 碳化硅的结构与性能
• 1.1.2 碳化硅的应用
• 1.2 碳化硅工业制备方法和工艺研究的现状与发展
• 1.2.1 碳化硅的工业制备方法现状与发展
• 1.2.2 碳化硅合成工艺的现状及发展
• 1.3 研究背景及意义
• 1.4 研究目标和研究内容
• 1.5 研究思路
• 1.5.1 多热源法电工 SiC 中试实验
• 1.5.2 合成炉内温度方程的求解及叠加计算
• 1.5.3 多热源多向流体系中温度、热流强度和温度梯度的变化规律
• 1.5.4 炉芯数目判定模型
• 1.5.5 合成效果及影响因素
• 1.6 研究方法
• 1.7 技术路线
• 2 合成实验
• 2.1 实验原料
• 2.1.1 碳质原料
• 2.1.2 硅质原料
• 2.1.3 食盐
• 2.2 实验设备
• 2.3 工艺流程
• 2.4 合成实验
• 2.4.1 单热源法电工碳化硅合成实验
• 2.4.2 多热源电工碳化硅合成实验
• 2.4.3 电工碳化硅工业试验
• 2.5 测试
• 2.6 本章小结
• 3 多热源碳化硅合成炉内温度方程的求解和叠加计算
• 3.1 碳化硅合成炉内传热方式的分析
• 3.2 碳化硅合成炉内的导热微分方程
• 3.3 单热源作用下导热微分方程的求解
• 3.4 二热源共同作用下的温度场叠加计算及实例分析
• 3.4.1 二热源共同作用下的温度场叠加计算
• 3.4.2 双热源作用时炉内温度变化计算实例
• 3.5 多热源共同作用下的温度场
• 3.6 多热源炉内不同区域的温度分布
• 3.6.1 结晶区内温度分布
• 3.6.2 反应区内温度分布
• 3.6.3 预热区内温度分布
• 3.7 本章小结
• 4 多热源多向流体系中温度、热流强度和温度梯度的变化规律
• 4.1 单热源作用下的温度、热流强度和温度梯度的变化规律
• 4.2 二热源作用下的温度、热流强度和温度梯度的变化规律
• 4.3 本章小结
• 5 炉芯数目判定模型
• 5.1 问题分析
• 5.2 模型假设
• 5.3 模型建立和求解
• 5.4 模型的检验
• 5.5 本章小结
• 6 合成效果与影响因素分析
• 6.1 Acheson 法和多热源法合成效果
• 6.1.1 两种方法合成炉内的温度场、热流矢量和温度梯度
• 6.1.2 两种方法合成产物的 XRD 测试分析
• 6.1.3 两种方法合成产物的 SEM 测试分析
• 6.2 多热源合成时影响因素分析
• 6.2.1 工艺对合成效果的影响
• 6.2.2 炉芯间距对合成效果的影响
• 6.2.3 炉芯表面负荷对合成效果的影响
• 6.3 工业试验结果
• 6.4 本章小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录