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《西安科技大学》 2011年
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多热源多向流体系碳化硅材料制备理论及应用

陈杰  
【摘要】:碳化硅(SiC )具有的高密度、高纯度、高结晶性、高均匀性,广泛应用于冶金、石油、化工、航空航天、机械、微电子等行业。中国是全球碳化硅产品的第一生产大国和出口大国,然而能耗高、物耗高、产量低、品质差、生产不安全一直是制约我国碳化硅产业高速发展的主要问题,提高碳化硅合成热效率,降低产品能耗,生产出高品位、高附加值的碳化硅产品是碳化硅制备亟待解决的技术难题。论文在国家自然科学基金(51074123、50174046)和陕西省教育厅专项科研基金(08JK347、05JK254)的资助下,通过数值模拟及实验,系统地研究了多热源多向流体系制备SiC新技术节能、提质、增产、降耗的关键理论与方法,实践表明,采用多热源多向流合成技术,单炉产量提高48.1%,特、一级品率提高30%,节能10%以上,并且杜绝生产中频繁喷炉等不安全事故的发生。论文研究不仅为SiC合成技术提供理论和方法学上的指导,对于提升西部地区矿产资源开发与加工的技术含量有着极其重要的意义。 通过对碳化硅合成过程的传热学分析,建立了多热源多向流体系合成碳化硅温度场的数学模型,提出了SiC合成炉温度场属于平面有内热源变物性非稳态导热,炉体边界属给定温度边界,热源边界属于常热流通量边界条件。根据化学反应程度及常用反应配比,通过线性分段拟和、线性插值、加权处理等方法,以温度作为控制条件,确定了不同温度条件下等效物质的热物性参数。 基于有限单元法求解瞬态温度场的原理分析,建立了优化的有限元模型,研究了多热源合成SiC合成炉温度场的演变规律。研究发现,随着合成时间的延长,高温等温面逐渐向外扩展,适合生成SiC的温区面积逐渐增大,但是过长的合成时间不但增加能耗,而且会导致SiC产品产率降低,应控制合理的反应时间,使SiC适量分解,可以合成大量的高致密SiC产品;随着表面负荷增大,热源温度逐渐增加,各温区等温线逐渐向外移动,使得高温区(1800~2600℃)面积逐渐增大。功率过高,会导致热源温度过高,从而导致热源周围已生成的SiC大量分解,从而降低产品的产量而增加产品的能耗。 基于数值模拟和实验,揭示了多热源体系内多方向能量流及物质流的传递与扩散动力学机理。研究表明,多热源合成中能否合成高致密碳化硅主要取决于Si蒸汽、SiO、SiO_2、Si_2C、SiC_2等气相物质的扩散速率;碳化硅合成过程中气相物质的物理气相沉积作用,是导致多热源合成碳化硅晶体高纯化、高致密化以及高结晶性的根本原因;多热源之间的热场叠加和热源屏蔽是多热源炉节能、增产、降耗的本质原因。 基于供电参数及炉体参数对温度场的影响,建立了给定功率条件下的多热源合成炉热源数目的判定模型。通过青海通海碳化硅厂工业试验,表明判定模型能够较好的预测多热源合成SiC最优选的热源数目。该判定模型为本理论的工业实际应用提供了关键设计参数的科学判据。 通过多热源合成实验,系统研究了合成时间、表面负荷等合成参数对合成产品的影响规律,采用X射线衍射分析以及扫描电镜分析了合成产品的物相及微观结构并与单热源合成产品进行了对比。研究表明,多热源合成碳化硅的提质、节能、降耗关键在于多热源多向流体系均化了温度场,生成SiC的高温区面积增大,热效率得到提高,降低了能耗,提高SiC产量和质量。碳化硅制备工业试验与数值模拟和实验结果具有较好的一致性,验证了提出的温度场演变规律以及多方向能量流及物质流扩散动力学机理。总体上,本文建立了多热源多向流体系制备碳化硅材料的理论体系,建立了最佳发热源数目判定模型,获得了多热源多向流体系合成SiC新技术优化有益传热和传质的途径,为提高SiC产品的产量和质量,降低产品能耗和安全生产提供理论指导。
【学位授予单位】:西安科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB321

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【参考文献】
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