SiC材料的工业制备方法及其进展.docxVIP

2001年12月JOURNALOFXI’ANUNIVERSITYOFSCIENCETECHNOLOGYDec.2001文章编号:1671-1912(2001)04-0347-05SiC材料的工业制备方法及其进展王晓刚,刘永胜,李晓池,李强(西安科技学院材料工程系,陕西西安710054)摘要:介绍了工业制备SiC的各种方法和近年来国内外生产SiC的新工艺及机械法制备SiC粉体技术。指出未来工业制备SiC材料的发展应侧重于对传统的Acheson冶炼工艺进行改进;扩大制备SiC材料的新工艺的生产规模;研究发明用廉价原料制备高性能的新型SiC材料的方法以及研究超细粉碎及分级技术制备多种SiC产品等。关键词:SiC;工业制备;工程材料中图分类号:TB32文献标识码:A0引言SiC材料以其优异的耐高温、耐腐蚀、热稳定、高硬度等物理化学性能而在冶金、机械、化工、建材等工业领域获得广泛的应用1,在电子、电气、航空航天等高新技术行业也备受青睐2。基于SiC材料的诸多优异性能和广泛的应用,国内外众多学者3～5对SiC合成理论与合成方法进行了广泛深入地研究。自1893年Acheson发明工业冶炼SiC方法以来6,合成SiC的方法得到了很大的改进,由最初的固相法发展到今天的液相法和气相法7～11。同时传统的Acheson炉由最初的炉长为5～10m,发展到现在的60m,甚至更长12,这样大大地降低了能耗,提高了产量;同时在改善环境污染、节约能源等方面也有很大进展13。近年来新型SiC材料(如SiC晶须14、纳米粉体15、SiC半导体单晶16等)研究发展势头迅猛。工业制备碳化硅的方法在近年来得到较大的发展。本文介绍了工业制备SiC的方法,以及近年来国内外生产SiC的新工艺及超细粉碎制备SiC粉体技术,展望了SiC工业制备的发展趋势。工业制备SiC方法11.1Acheson法及其发展目前工业生产SiC仍主要采用传统的Acheson法,图1为传统Acheson法冶炼炉结构示意图6。该法是利用高功率电热使石英砂和焦炭在高温下发生碳热还原反应,即石墨炉芯在大电流通过时电热产生高温使周围的反应料反应生成α-SiC产品。我国目前通用的SiC冶炼炉与最初的Acheson炉没有本质的区别,只是炉体尺寸、功率、机械化程度及电气控制方法有所提高,炉料配置细节有所不同。归纳起来主要有两种炉型12,17:图1Acheson法炉体结构Fig.1ThestructureofAchesonprocess1炉料2石墨炉芯3石墨电极4端墙长方槽型(含斜槽型、山型、弧型炉底)固定炉及活动炉;若从供电方案分,则有直流冶炼炉和交流冶炼炉两种。收稿日期:2001-04-10作者简介:王晓刚(1956-),男,陕西蓝田人,博士,副教授,主要研究方向为纳米结构材料及元器件的制备理论与技术.348西安科技学院学报2001年固定炉在生产过程中变压器、母线和炉体均不移动;活动炉在生产过程中,变压器及母线固定,炉体移动。图2为固定式电阻炉示意图,图3为活动式电阻炉结构示意图17。活动炉由炉基和侧部的两列轮子组成,靠自备动力或者绞车进行活动,活动炉需要许多与工艺配套的专用工具;另外,活动炉因有较多的震动和摇摆,导致频繁的故障,并且其相应的精巧昂贵的设施不利于降低SiC的生产成本。固定炉与活动炉相比具有明显的优势13,主要表现在固定炉占地面积小,设备投入少,可实现炉体大型化(活动炉不能),工艺稳定,单位电耗低,产品制造费用低等方面。由于大型冶炼炉具有热损相对较低、功率因数(cosΦ)高,且操作简单等优势,所以炉型不断大型化,功率也变得越来越大,在生产SiC初期,典型的电阻炉功率为750kW。现在,大型冶炼炉的功率一般在3000～7000kW之间,超大型冶炼炉功率可达10000kW17。但过大功率会带来电极热负荷过载和单位炉芯表面负荷过大等问题,若炉型结构不规则或不均匀,大的单位炉芯表面负荷会造成频繁的喷炉而影响冶炼炉操作并导致对侧墙和端墙的破坏。按照目前的技术及装备情况,当冶炼炉功率在10000kW左右时,炉体大型化的余地就很小了。要进一步大型化必须有新的思路。Acheson工艺制备SiC的另一个发展方向是,采用廉价的原料,利用某些矿物原料的天然结构特性制备高性能SiC材料。王晓刚3等人利用硅质煤矸石矿物组分的相互交织组合、条带相间组合和镶嵌组合等天然纳米结构(煤矸石中SiO2和C紧密、均匀、超微尺度的混合,反1819应活性高),用煤矸石与烟煤为原料,采图2固定电阻炉示意图Fig.2Thefixedresistancefurnace1导电铜板2电极3端墙4大炉墙5小炉墙6炉柱7端墙钢铁支架用传统的Acheson工艺成功地合成了β-SiC微粉。它与传统原料相比具有反应温度低、反应速度快等特点。以煤矸石代替石英砂和