无限微热源SiC合成炉的传热学模拟及实验研究

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艾奇逊法主要采用单热源合成块体α-碳化硅,这种传统方法生产出的α-碳化硅块体在活性和研磨等性能上不同于β-碳化硅,其破碎过程是一个高能耗过程。无限微热源法基于热源数目无限多的思想,可一次性冶炼合成α~β碳化硅多种粉体,避免了破碎环节带来的高能耗问题,并且还可以制备出以往方法难以大批量生产的B.碳化硅粉体,具有很重要的工业价值。本课题利用数值模拟的方法,对无限微热源法合成碳化硅炉进行传热学模拟,并结合实验研究炉内传热规律。 通过热力学分析,研究了无限微热源炉内反应发生的可能性,确定了炉内理论反应初始温度;用示性物质以及红外测温仪对炉表温度进行了测定;研究了供电功率和电阻的变化规律。通过传热学分析,确立了无限微热源炉内的传热形式与传热模型;建立了导热微分方程,并通过分段线性拟合等数学方法确立了几何条件、物性条件、时间条件以及边界条件四个单值性条件;建立了数学模型并进行了有限元数值计算,得出了无限微热源炉内温度场的变分方程,并将其与ANSYS瞬态温度场的计算方程进行了比较,二者形式及物理意义相符,证明了ANSYS软件模拟的可行性。 利用有限元ANSYS数值模拟软件,结合实际炉体的单值性条件,对合成炉进行了三组可行性变热源数值模拟和四组定热源数值模拟实验,给出了瞬态温度场信息。研究了变热源炉内三个不同参数(供电时间、供电功率和炉内反应最高温度)的变化规律,得出无限微热源炉合成β-碳化硅粉体的可行性与优越性。定热源炉和变热源炉内温度场的传热规律表明,适当的增大功率使炉内温度场更加对称,同时随着热源数目的增多,合成炉内温度场的分布也更加均匀。 实验研究证明,模拟得出的温度场分布形态和实验中不同级别产物分布形态一致,模拟拟合得到的供电功率和供电时间与实验供电参数相同,表明本研究方法和结论对无限微热源法合成碳化硅粉体的进一步放大实验和生产有指导意义。
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