多熱源多向流體系碳化硅材料制備理論及應(yīng)用.pdf

1、碳化硅（SiC）具有的高密度、高純度、高結(jié)晶性、高均勻性，廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、航空航天、機(jī)械、微電子等行業(yè)。中國(guó)是全球碳化硅產(chǎn)品的第一生產(chǎn)大國(guó)和出口大國(guó)，然而能耗高、物耗高、產(chǎn)量低、品質(zhì)差、生產(chǎn)不安全一直是制約我國(guó)碳化硅產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的主要問(wèn)題，提高碳化硅合成熱效率，降低產(chǎn)品能耗，生產(chǎn)出高品位、高附加值的碳化硅產(chǎn)品是碳化硅制備亟待解決的技術(shù)難題。論文在國(guó)家自然科學(xué)基金（51074123、50174046）和陜西省教育廳專項(xiàng)科研基金

2、（08JK347、05JK254）的資助下，通過(guò)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了多熱源多向流體系制備SiC 新技術(shù)節(jié)能、提質(zhì)、增產(chǎn)、降耗的關(guān)鍵理論與方法，實(shí)踐表明，采用多熱源多向流合成技術(shù)，單爐產(chǎn)量提高48.1％，特、一級(jí)品率提高30％，節(jié)能10％以上，并且杜絕生產(chǎn)中頻繁噴爐等不安全事故的發(fā)生。論文研究不僅為SiC 合成技術(shù)提供理論和方法學(xué)上的指導(dǎo)，對(duì)于提升西部地區(qū)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)與加工的技術(shù)含量有著極其重要的意義。通過(guò)對(duì)碳化硅合成過(guò)程的傳熱學(xué)

3、分析，建立了多熱源多向流體系合成碳化硅溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，提出了SiC 合成爐溫度場(chǎng)屬于平面有內(nèi)熱源變物性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，爐體邊界屬給定溫度邊界，熱源邊界屬于常熱流通量邊界條件。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)程度及常用反應(yīng)配比，通過(guò)線性分段擬和、線性插值、加權(quán)處理等方法，以溫度作為控制條件，確定了不同溫度條件下等效物質(zhì)的熱物性參數(shù)。
　　 基于有限單元法求解瞬態(tài)溫度場(chǎng)的原理分析，建立了優(yōu)化的有限元模型，研究了多熱源合成SiC 合成爐溫度場(chǎng)的演變規(guī)律。研

4、究發(fā)現(xiàn)，隨著合成時(shí)間的延長(zhǎng)，高溫等溫面逐漸向外擴(kuò)展，適合生成SiC的溫區(qū)面積逐漸增大，但是過(guò)長(zhǎng)的合成時(shí)間不但增加能耗，而且會(huì)導(dǎo)致SiC 產(chǎn)品產(chǎn)率降低，應(yīng)控制合理的反應(yīng)時(shí)間，使SiC 適量分解，可以合成大量的高致密SiC 產(chǎn)品；隨著表面負(fù)荷增大，熱源溫度逐漸增加，各溫區(qū)等溫線逐漸向外移動(dòng)，使得高溫區(qū)（1800～2600℃）面積逐漸增大。功率過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致熱源溫度過(guò)高，從而導(dǎo)致熱源周?chē)焉傻腟iC大量分解，從而降低產(chǎn)品的產(chǎn)量而增加產(chǎn)品的能耗

5、。
　　 基于數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，揭示了多熱源體系內(nèi)多方向能量流及物質(zhì)流的傳遞與擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)機(jī)理。研究表明，多熱源合成中能否合成高致密碳化硅主要取決于Si蒸汽、SiO、SiO2、Si2C、SiC2等氣相物質(zhì)的擴(kuò)散速率；碳化硅合成過(guò)程中氣相物質(zhì)的物理氣相沉積作用，是導(dǎo)致多熱源合成碳化硅晶體高純化、高致密化以及高結(jié)晶性的根本原因；多熱源之間的熱場(chǎng)疊加和熱源屏蔽是多熱源爐節(jié)能、增產(chǎn)、降耗的本質(zhì)原因。
　　 基于供電參數(shù)及爐體參數(shù)對(duì)溫

6、度場(chǎng)的影響，建立了給定功率條件下的多熱源合成爐熱源數(shù)目的判定模型。通過(guò)青海通海碳化硅廠工業(yè)試驗(yàn)，表明判定模型能夠較好的預(yù)測(cè)多熱源合成SiC 最優(yōu)選的熱源數(shù)目。該判定模型為本理論的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用提供了關(guān)
　　鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的科學(xué)判據(jù)。
　　 通過(guò)多熱源合成實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了合成時(shí)間、表面負(fù)荷等合成參數(shù)對(duì)合成產(chǎn)品的影響規(guī)律，采用X 射線衍射分析以及掃描電鏡分析了合成產(chǎn)品的物相及微觀結(jié)構(gòu)并與單熱源合成產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比。研究表明，多熱源合

7、成碳化硅的提質(zhì)、節(jié)能、降耗關(guān)鍵在于多熱源多向流體系均化了溫度場(chǎng)，生成SiC的高溫區(qū)面積增大，熱效率得到提高，降低了能耗，提高SiC 產(chǎn)量和質(zhì)量。碳化硅制備工業(yè)試驗(yàn)與數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了提出的溫度場(chǎng)演變規(guī)律以及多方向能量流及物質(zhì)流擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)機(jī)理。
　　 總體上，本文建立了多熱源多向流體系制備碳化硅材料的理論體系，建立了最佳發(fā)熱源數(shù)目判定模型，獲得了多熱源多向流體系合成SiC 新技術(shù)優(yōu)化有益?zhèn)鳠岷蛡髻|(zhì)的途徑，為