Resumé af fremstillingsprocessen for siliciumcarbid (SiC).

Siliciumcarbidslibemidler fremstilles typisk med kvarts og petroleumskoks som primære råvarer. I det forberedende trin gennemgår disse materialer mekanisk bearbejdning for at opnå den ønskede partikelstørrelse, før de kemisk proportioneres i ovnladningen.For at regulere permeabiliteten af ​​ovnladningen tilsættes en passende mængde savsmuld under blandingen. Til fremstilling af grønt siliciumcarbid er en vis mængde salt også inkorporeret i ovnladningen.

Ovnladningen indlæses i en batch-type modstandsovn, som har endevægge i begge ender med grafitelektroder placeret nær midten. Ovnens kernelegeme forbinder de to elektroder, omgivet af reaktive ovnladningsmaterialer, mens isolerende materialer omslutter den ydre omkreds. Under drift opvarmer elektrisk strøm ovnens kerne til temperaturer mellem 2600-2700°C. Varmeoverførsler fra kerneoverfladen til ladningsmaterialerne, som ved overskridelse af 1450°C gennemgår kemiske reaktioner for at danne siliciumcarbid, mens kulilte frigives.

Efterhånden som processen fortsætter, udvider højtemperaturzonen sig og danner gradvist flere siliciumcarbidkrystaller. Disse krystaller fordamper, migrerer og vokser inde i ovnen, hvor de til sidst smelter sammen til en cylindrisk krystalliseret masse. De indre vægge af denne masse oplever temperaturer, der overstiger 2600°C, hvilket forårsager nedbrydning, der frigiver silicium, som derefter rekombinerer med kulstof for at danne nyt siliciumcarbid.

Den elektriske strømfordeling varierer over tre driftsfaser:

1.Initial fase: Anvendes primært til opvarmning af ovnladning

2.Mellemfase: Øget andel for siliciumcarbiddannelse

3.Slutfase: Domineret af termiske tab

Optimale strøm-tid-relationer er udviklet for at maksimere termisk effektivitet, med typiske driftsvarigheder omkring 24 timer for store ovne for at lette koordinering af arbejdsgange.

Under drift forekommer sekundære reaktioner, der involverer forskellige urenheder og salte, hvilket forårsager materialeforskydning og volumenreduktion. Den producerede kulilte undslipper som atmosfærisk forurening. Efter strømafbrydelse varer restreaktioner i 3-4 timer på grund af termisk inerti, dog med væsentligt reduceret intensitet. Efterhånden som overfladetemperaturerne falder, bliver ufuldstændig forbrænding af kulilte mere udtalt, hvilket nødvendiggør fortsatte arbejdssikkerhedsforanstaltninger.

Efterovnens materialer fra ydre til indre lag består af følgende komponenter:

(1) ‌Ureageret ladningsmateriale‌

Dele af ladningen, der ikke når reaktionstemperaturen under smeltning, forbliver inerte og tjener udelukkende som isolering. Denne zone kaldes isoleringsbåndet. Sammensætningen og anvendelsesmetoderne adskiller sig væsentligt fra reaktionszonen. Visse processer involverer læsning af frisk ladning i specifikke isoleringsbåndområder under ovnbelastning, som hentes efter smeltning og blandes i reaktionsladning som brændt materiale. Alternativt kan uomsat isoleringsbåndsmateriale undergå regenereringsbehandling ved at tilsætte koks og savsmuld til genbrug som opbrugt ladning.

(2) ‌Oxideret siliciumcarbidlag‌

Dette semi-reagerede lag indeholder primært uomsat kulstof og silica (20-50% allerede omdannet til SiC). Den ændrede morfologi af disse komponenter adskiller dem fra opbrugt ladning. Silica-kulstofblandingen danner amorfe grå-gule aggregater med løs kohæsion, der let pulveriseres under tryk - i modsætning til udtømt ladning, hvor silica bevarer den oprindelige granularitet.

(3) ‌Klæbelag‌

En kompakt overgangszone mellem det oxiderede lag og den amorfe zone, indeholdende 5-10% metaloxider (Fe, Al, Ca, Mg). Fasesammensætningen omfatter uomsat silica/carbon (40-60% SiC) og silikatforbindelser. Differentiering fra tilstødende lag bliver udfordrende, medmindre der er rigelige urenheder, især i sorte SiC-ovne.

(4) ‌Amorf zone‌

Dominerende kubisk β-SiC (70-90% SiC) med resterende kulstof/silica (2-5% metaloxider). Det sprøde materiale smuldrer let til pulver. Sorte SiC-ovne giver sorte amorfe zoner, mens grønne SiC-ovne producerer gulgrønne varianter - nogle gange med farvegradienter. Grove silicapartikler eller lavkulstofkoks kan skabe porøse strukturer.

(5) ‌SiC af sekundær kvalitet‌

Består af α-SiC-krystaller (90-95% renhed) for skrøbelige til slibende brug. Adskilt fra amorf β-SiC (pulveragtig, mat), udviser sekundær kvalitet hexagonale krystalgitter med spejllignende glans. Opdelingen mellem sekundære og primære kvaliteter er rent funktionel, selvom førstnævnte kan bevare porøse strukturer.

(6) ‌SiC-krystaller af primær kvalitet‌

Ovnens hovedprodukt: massive α-SiC-krystaller (>96 % renhed, 50-450 mm tyk). Disse tætpakkede blokke fremstår sorte eller grønne, med tykkelse, der varierer efter ovnkraft og placering.

(7) ‌Grafitovnskerne‌

Ved siden af ​​den krystallinske cylinder danner nedbrudt SiC grafitkopier af originale krystalstrukturer. Den indre kerne består af forudindlæst grafit med forbedret grafitisering efter termisk cykling. Begge grafittyper genanvendes som kernemateriale til efterfølgende ovnpartier.