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关于碳化硅,你不知道的事……
点击次数:1022 发布时间:2020-01-02

碳和硅的原子序数分别为614,在元素周期表中处于碳族元素的第二和第三周期,即上下相邻的位置。这种位置关系,表明它们在某些方面具有类似的性质。

碳元素在我们的生活中无处不在,含碳化合物是生命的物质基础。硅也在地壳中的含量巨大,尤其是它在半导体和现代通讯业中的应用,推动了人类文明的发展。

在化学的世界里,碳和硅是同一族的亲兄弟;在我们生活的地球上,他们共存了数十亿年,却没有结成生死与共的牢固友谊,自然界中的碳化硅矿石十分罕见。

1824年,瑞典科学家Jons Jakob Berzelius在合成金刚石时观察到碳化硅(SiC)的存在,就此拉开了人类对于碳化硅材料研究的序幕。直到1891年,美国人E.G. Acheson在做电熔金刚石实验时,偶然得到了碳化硅。当时误认为是金刚石的混合体,故取名金刚砂。

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。

中国碳化硅与先进水平的差距主要集中在四个方面:一是在生产过程中很少使用大型机械设备,很多工序依靠人力完成,人均碳化硅产量较低;二是在碳化硅深加工产品上,对粒度砂和微粉产品的质量管理不够精细,产品质量的稳定性不够;三是某些尖端产品的性能指标与发达国家同类产品相比有一定差距;四是冶炼过程中一氧化碳直接排放。

碳化硅的制品之一的碳化硅陶瓷具有的高硬度、高耐腐蚀性以及较高的高温强度等特点,这使得碳化硅陶瓷得到了广泛的应用。如今,碳化硅的应用已从最早期的磨料,发展到轴承、半导体、航空航天和化学等多个领域。微反应器由于化学品和微通道内壁超高的接触表面积,对内壁材质的要求非常严苛。微通道反应器也成为了碳化硅的一个重要应用。究竟什么样的碳化硅适用于制造微通道反应器吗?

 

一、微反应器的材质需要极强的耐化学腐蚀性

与化学反应有关。当然,构成微反应器的材质需要极强的耐化学腐蚀性。

从表1的数据可以看出,在40%浓度HF的腐蚀下,康宁UniGrain™碳化硅的抗腐蚀性比市场上供应的碳化硅好300倍。在30%浓度氢氧化钠的条件下,康宁碳化硅的抗腐蚀性也明显优与市场上供应的碳化硅。

哈氏合金是一种被大家所熟知、具有良好抗腐蚀性和热稳定性的材料。那我们的Unigrain™碳化硅与这种超抗腐蚀材料相比,是否能更胜一筹呢?

通过表2中数据可以看出,Unigrain™碳化硅在40%HF220℃条件下的年腐蚀量远远小于哈氏合金HC-2000HC-22, HC-276Inconel 62520%HF52℃条件下的年腐蚀量。

 

 二、高纯度 - 材料的均匀性

微反应器通道尺寸小,如何保证通道无死区,物料无残留呢?一方面与微反应器通道的设计有关,另一方面与反应器材质有关。用扫描电镜SEM Corning® UniGrain 碳化硅进行了材料微结构分析。

结果显示,UniGrain™碳化硅烧结粒度很小,在 5 ~ 20 µm之间,并且结构致密且均匀。因此反应通道表面平滑,确保了反应的稳定性。通过下列电镜对比图,很容易发现,市场上的碳化硅烧结粒度和微结构均匀度与UniGrain™碳化硅有明显的差异。

 

三、耐冷热冲击

为了适应化学反应中不断出现的高温或低温条件,微通道反应器材料还需要具有高度耐冷热冲击的性能。康宁UniGrain 碳化硅拥有超4x10-6/ºC的低热膨胀系数, 确保了反应器能抵抗反应带来的大量冷热冲击。

做好反应器,材料是根本!碳化硅有70多种晶型,康宁UniGrain™碳化硅和普通碳化硅不一样;就像康宁锅和其它玻璃锅不一样;康宁大猩猩盖板玻璃和其它玻璃不一样。

除了上诉的三点以外,UniGrain™碳化硅还拥有110~180 W/m.K(常温)超高导热性,15MPa超高模块暴裂压力。并且它没有周期性疲劳,使用寿命长达20年以上。

 

四、康宁zhuan利结构设计

康宁微通道反应器采用模块化结构:独特“三明治”多层结构设计 集“混合/反应”和“换热”于一体,精准控制流体流动分布,极大地提升了单位物料的反应换热面积 1000倍)。Zhuan利的“心型”通道结构设计,高度强化非均相混合系列,提高混合/传质效率 100 )。康宁以客户需求为导向,提供从入门教学 、工艺研发 –到工业化生产全周期解决方案。

康宁反应器技术知识产权声明

康宁致力于向客户提供业内的产品和服务,并持续投入反应器技术的研发。康宁拥有一系列覆盖全球的反应器技术Zhuan利,截止至201935日,康宁在全球范围内共申请相关Zhuan224项,已授权157项,其中中国授权Zhuan34项。制造或销售康宁Zhuan利所覆盖的产品或使用康宁Zhuan利所保护的工艺需获得康宁授权。未经授权擅自使用康宁Zhuan利即构成侵权。康宁对侵犯知识产权的行为零容忍,将采取一切必要的手段保护其知识产权。

 

五、全周期解决方案

•康宁碳化硅反应器能处理所有化学体系包括HF和高温强碱体系,超高的混合,反应,换热性能;

•可针对研发平台的需求,调整模块数量,灵活拆分组合来实现不同工艺路线;

•可根据项目需要,与G1玻璃反应器组合使用,使得装置好用而且“看得见”;

•适用于工艺快速筛选、工艺优化和小吨位批量合成生产;

•国内已有相当多企业建立了数百套多功能平台和数十套工业化装置。

每一台康宁微通道反应器,都凝聚着康宁科学家160多年对材料科学和工艺制造的专业知识和宝贵经验!

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