碳和硅的原子序數分別為6和14,在元素周期表中處于碳族元素的第二和第三周期,即上下相鄰的位置。這種位置關系,表明它們在某些方面具有類似的性質。
碳元素在我們的生活中無處不在,含碳化合物是生命的物質基礎。硅也在地殼中的含量巨大,尤其是它在半導體和現代通訊業中的應用,推動了人類文明的發展。
在化學的世界里,碳和硅是同一族的親兄弟;在我們生活的地球上,他們共存了數十億年,卻沒有結成生死與共的牢固友誼,自然界中的碳化硅礦石十分罕見。
1824年,瑞典科學家Jons Jakob Berzelius在合成金剛石時觀察到碳化硅(SiC)的存在,就此拉開了人類對于碳化硅材料研究的序幕。直到1891年,美國人E.G. Acheson在做電熔金剛石實驗時,偶然得到了碳化硅。當時誤認為是金剛石的混合體,故取名金剛砂。
純碳化硅是無色透明的晶體。工業碳化硅因所含雜質的種類和含量不同,而呈淺黃、綠、藍乃至黑色,透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結構分為六方或菱面體的 α-SiC和立方體的β-SiC(稱立方碳化硅)。α-SiC由于其晶體結構中碳和硅原子的堆垛序列不同而構成許多不同變體,已發現70余種。
中國碳化硅與先進水平的差距主要集中在四個方面:一是在生產過程中很少使用大型機械設備,很多工序依靠人力完成,人均碳化硅產量較低;二是在碳化硅深加工產品上,對粒度砂和微粉產品的質量管理不夠精細,產品質量的穩定性不夠;三是某些產品的性能指標與發達國家同類產品相比有一定差距;四是冶煉過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、高耐腐蝕性以及較高的高溫強度等特點,這使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應用。如今,碳化硅的應用已從早期的磨料,發展到軸承、半導體、航空航天和化學等多個領域。微反應器由于化學品和微通道內壁超高的接觸表面積,對內壁材質的要求非常嚴苛。微通道反應器也成為了碳化硅的一個重要應用。究竟什么樣的碳化硅適用于制造微通道反應器嗎?
一、微反應器的材質需要*的耐化學腐蝕性
與化學反應有關。當然,構成微反應器的材質需要*的耐化學腐蝕性。
從表1的數據可以看出,在40%濃度HF的腐蝕下,康寧UniGrain™碳化硅的抗腐蝕性比市場上供應的碳化硅好300倍。在30%濃度氫氧化鈉的條件下,康寧碳化硅的抗腐蝕性也明顯優與市場上供應的碳化硅。
哈氏合金是一種被大家所熟知、具有良好抗腐蝕性和熱穩定性的材料。那我們的Unigrain™碳化硅與這種超抗腐蝕材料相比,是否能更勝*呢?
通過表2中數據可以看出,Unigrain™碳化硅在40%HF、220℃條件下的年腐蝕量遠遠小于哈氏合金HC-2000,HC-22, HC-276,Inconel 625在20%HF、52℃條件下的年腐蝕量。
二、高純度 - 材料的均勻性
微反應器通道尺寸小,如何保證通道無死區,物料無殘留呢?一方面與微反應器通道的設計有關,另一方面與反應器材質有關。用掃描電鏡SEM對 Corning® UniGrain™ 碳化硅進行了材料微結構分析。
結果顯示,UniGrain™碳化硅燒結粒度很小,在 5 ~ 20 µm之間,并且結構致密且均勻。因此反應通道表面平滑,確保了反應的穩定性。通過下列電鏡對比圖,很容易發現,市場上的碳化硅燒結粒度和微結構均勻度與UniGrain™碳化硅有明顯的差異。
三、耐冷熱沖擊
為了適應化學反應中不斷出現的高溫或低溫條件,微通道反應器材料還需要具有高度耐冷熱沖擊的性能??祵?/span>UniGrain™ 碳化硅擁有超4x10-6/ºC的低熱膨脹系數, 確保了反應器能抵抗反應帶來的大量冷熱沖擊。
做好反應器,材料是根本!碳化硅有70多種晶型,康寧UniGrain™碳化硅和普通碳化硅不一樣;就像康寧鍋和其它玻璃鍋不一樣;康寧大猩猩蓋板玻璃和其它玻璃不一樣。
除了上訴的三點以外,UniGrain™碳化硅還擁有110~180 W/m.K(常溫)超高導熱性,15MPa超高模塊暴裂壓力。并且它沒有周期性疲勞,使用壽命長達20年以上。
四、康寧zhuan利結構設計
康寧微通道反應器采用模塊化結構:*“三明治”多層結構設計 集“混合/反應”和“換熱”于一體,精準控制流體流動分布,極大地提升了單位物料的反應換熱面積 (1000倍)。Zhuan利的“心型”通道結構設計,高度強化非均相混合系列,提高混合/傳質效率 (100 倍)??祵幰钥蛻粜枨鬄閷颍峁娜腴T教學 、工藝研發 –到工業化生產全周期解決方案。
康寧反應器技術知識產權聲明
康寧致力于向客戶提供業內的產品和服務,并持續投入反應器技術的研發??祵帗碛幸幌盗懈采w的反應器技術Zhuan利,截止至2019年3月5日,康寧在范圍內共申請相關Zhuan利224項,已授權157項,其中中國授權Zhuan利34項。制造或銷售康寧Zhuan利所覆蓋的產品或使用康寧Zhuan利所保護的工藝需獲得康寧授權。未經授權擅自使用康寧Zhuan利即構成侵權??祵帉η址钢R產權的行為零容忍,將采取一切必要的手段保護其知識產權。
五、全周期解決方案
•康寧碳化硅反應器能處理所有化學體系包括HF和高溫強堿體系,超高的混合,反應,換熱性能;
•可針對研發平臺的需求,調整模塊數量,靈活拆分組合來實現不同工藝路線;
•可根據項目需要,與G1玻璃反應器組合使用,使得裝置好用而且“看得見”;
•適用于工藝快速篩選、工藝優化和小噸位批量合成生產;
•國內已有相當多企業建立了數百套多功能平臺和數十套工業化裝置。
每一臺康寧微通道反應器,都凝聚著康寧科學家160多年對材料科學和工藝制造的專業知識和寶貴經驗!
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