碳化硅微粉的应用与生产方法

毕业设计（论文）

（说明书）

题目：碳化硅微粉的应用与生产

姓名：刘真穆

专业：石油化工生产技术

年级：2011届

学校：辽宁石油化工大学继续教育学院大连函授站

2011年月日

辽宁石油化工大学继续

教育学院毕业设计

（论文）任务书

姓名：刘真穆

专业：石油化工生产技术

班级：2009届

任务下达日期：2011年月日

论文开始日期：2011年月日

论文完成日期：2011年月日

论文题目：碳化硅微粉的应用与生产指导老师：

系（部）主任：

2011年月日

碳化硅微粉的应用与生产

引言：碳化硅的分子式为SiC。最早是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂，1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法，也就是大家常说的艾奇逊炉，一直沿用至今，以碳质材料为炉芯体的电阻炉，通电加热石英SiO2和碳的混合物生成碳化硅。

碳化硅不象其它矿物质那样有其自身矿藏，它也不会在自然界中自然出现，而需要用精炼炉的冶炼技术控制工艺来实现。早期碳化硅仅是用於研磨和切割用的材料。上一个世纪碳化硅的发展极其缓慢而艰难。以下是碳化硅在发展过程中的几大事件：

1.1905年第一次在陨石中发现碳化硅。

2.1907年第一只碳化硅发光二极管诞生。

3.1955年理论和技术上重大突破，LELY提出生长高品质碳化概念从此将SiC

作为重要的电子材料。

4.1958年在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流。

5.1978年六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。到1978年首次采用

“LELY改进技术”的晶粒提纯生长方法

6.1987年至今以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的碳化硅晶片。

关键词：碳化硅碳化硅微粉应用工艺

一、碳化硅的性质、种类和应用

1．碳化硅的性质和种类

碳化硅的化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，可作为磨料和其他某些工业材料使用。碳化硅是最早的人造磨料。在陨石和地壳中虽有少量碳化硅存在，但迄今尚未找到可供开采的矿源。纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体

结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC 于2100℃以上时转变为α-SiC。

碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用品种，分别用C和GC表示。它们都属α-SiC。①黑碳化硅含SiC约98.5％，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。②绿碳化硅含SiC99％以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于研磨汽缸套和精磨高速钢刀具。此外还有立方碳化硅，它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体，用以制作的磨具适于轴承的超精加工，可使表面粗糙度从Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。

2．碳化硅的应用

由于碳化硅材料具有高硬度、高强度、低膨胀、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等一系列优良特性，其在航天、航空、汽车、舰船、核能、电子、冶金、化工、机械等诸多领域的应用越来越广泛，需求也越来越多。

①有色金属冶炼工业的应用

利用碳化硅具有耐高温,强度大,导热性能良好,抗冲击,作高温间接加热材料,如坚罐蒸馏炉｡精馏炉塔盘,铝电解槽,铜熔化炉内衬,锌粉炉用弧型板,热电偶保护管等。

②钢铁行业方面的应用

利用碳化硅的耐腐蚀｡抗热冲击耐磨损｡导热好的特点,用于大型高炉内衬提高了使用寿命。

③冶金选矿行业的应用

碳化硅硬度仅次于金刚石,具有较强的耐磨性能,是耐磨管道､叶轮､泵室､旋流器,矿斗内衬的理想材料,其耐磨性能是铸铁.橡胶使用寿命的5—20倍,也是航空飞行跑道的理想材料之一｡

④建材陶瓷,砂轮工业方面的应用

利用其导热系数｡热辐射,高热强度大的特性,制造薄板窑具,不仅能减少窑具容量,还提高了窑炉的装容量和产品质量,缩短了生产周期,是陶瓷釉面烘烤烧结理想的间接材料｡

⑤节能方面的应用

利用良好的导热和热稳定性,作热交换器,燃耗减少20%,节约燃料35%,使生产率提高20-30%｡特别是矿山选厂用排放输送管道的内放,其耐磨程度是普通耐磨材料的6—7倍｡

⑥半导体材料方面的应用

由于碳化硅材料具有宽能级、高击穿电场、高热传导率以及高饱和电子迁移速度等独特、优良的物理和电子特性，使其成为半导体领域的最佳材料。如：蓝色发光二极管、紫外线探测器、高压二级管、大功率微波器、以及各种耐高温的高频器件等。

本文的生产与工艺均为大连信东高技术材料有限公司的生产工艺应用

二、碳化硅微粉的干式制法

1．碳化硅的制法

现代碳化硅的工业制法是用优质石英砂、石油焦和硅石在电阻炉内炼制。炼得的碳化硅块，经破碎、酸碱洗、磁选和筛分或水选而制成各种粒度的产品。

黑碳化硅和绿碳化硅的炼制方法略有不同。其中黑碳化硅的制法是：以石英砂、石油焦和优质硅石为主要原料，通过电阻炉高温冶炼而成。性脆而锋利。绿碳化硅的制法是以石油焦优质硅石为主要原料以食盐做添加剂通过电阻炉高温冶炼而成。

2．碳化硅微粉的制法：

制备碳化硅微粉的方法有很多，如：机械粉碎法、激光合成法、等离子合成法、CVD法、、溶胶—凝胶法、高温裂解法等。在各种方法中机械粉碎法因其工艺简单、投资小、成本低、产量大，目前仍是制备碳化硅微粉的主要方法。

3．碳化硅微粉的粉碎设备

目前国内对于碳化硅微粉粉碎的设备种类很多。如：搅拌磨机、振动磨机、辊式磨粉机、气流磨粉机及球磨机等等。传统的球磨机应用较早，设备稳定性好，但效率低，能耗大，且不容易得到很细的微粉，加工的微粉粒径分布范围较宽，增加了分级难度。振动磨机粉碎效果还可以，但其能耗较高，工作时噪音大，细磨碳化硅等硬质材料时设备磨损严重。气流磨生产效率较高，生产能力较小，工艺简单，但难以生产5μm以下的微粉，喷嘴极易磨损，设备投资大。而辊式磨机具有处理量大，工作可调，产品粒度便于调节，等优点被作为国内外碳化硅微粉加工的首选设备。而其中最具代表性的就是雷蒙磨。它也是本文中碳化硅微粉粉碎的使用设备。

4.用雷蒙磨加工碳化硅微粉的方法（见图一）

雷蒙磨又叫悬辊式磨机。原料由机体侧面通过振动给料机（H）自动给入机内，辊子由轴悬挂在梅花架上，梅花架在传动装置（J）的带动下绕机体中心轴线高速旋转，与辊子平行的磨环是固定不动的，由于高速公转产生的离心力辊子向磨环压紧并在其上滚动，经过磨辊与磨环之间的物料受到辗压和冲击破碎后落入磨仓（A）底部，粗颗粒由磨仓底部的铲刀铲起并扬到辊子与磨环之间磨碎，外部风机（E1）