CN109503188B - 一种基于流场优化制备碳/碳坩埚的cvi工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，包括两个阶段，第一阶段将含有内衬的坩埚预制体放置在高温气相沉积炉内沉积，待坩埚预制体具有足够强度后，对坩埚预制体表面进行机加工；第二阶段在机加工后的坩埚预制体外部套装一外部模具，一内部模具紧贴机加工后坩埚预制体内表面，二次进行气相沉积，外部模具上表面开有倾斜孔洞，使气流产生螺旋旋转进入外部模具与坩埚预制体间的间隙内。本发明可以尽量减少开炉次数，大量节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法。
背景技术
清洁能源的高需求促使光伏产业的飞速发展，使得多晶硅和单晶硅需求日益旺盛，高效生产高纯度单晶硅已成为光伏产业可持续发展的关键环节。太阳能电池的制备中，采用高纯度的多晶硅拉制单晶硅棒，拉制过程涉及到石英坩埚和石墨坩埚的使用，在高达1400℃-1600℃的作用下石英坩埚会变软，其支撑作用要靠外面的石墨坩埚来提供。在提拉过程中会有撞击，此时石墨坩埚强度低，热震性能差的缺点将被暴露出来，频繁更换将影响制备效率，除此之外，大尺寸产品加工成型困难的缺点也随之显现。而碳/碳复合材料具有高强度、耐高温和抗热震性好，碳/碳复合材料坩埚就在此种情况下应运而生。本专利基于流场优化的等温等压CVI(Chemical Vapor Infiltration化学气相渗透法)工艺制备碳/碳复合材料坩埚。流场的变化直接影响到前驱体的传质，表面沉碳以及预制体表面孔隙附近前驱体的均匀性，进而影响到碳/碳坩埚的制备效率和质量，因此，如何设计出高效制备碳/碳坩埚的流场将是本专利的重点。
专利《一种快速制备碳/碳复合材料坩埚的窄流感应耦合CVD致密化方法》(CN103193498A)该专利采用化学气相沉积工艺，在窄缝气流和感应耦合的共同作用下，向高温气相沉积炉内通入小分子烃和N2的混合气体，前驱体扩散到坩埚预制体内发生裂解，裂解出热解碳，热解碳在碳纤维表面沉积，预制体密度不断提高，快速获得致密的碳/碳复合材料坩埚。
CVI工艺过程是一个伴随化学反应的传质过程，以烃类气体为前驱体，前驱体向预制体(碳纤维编织的坩埚)内进行传质的同时也在发生热解碳沉积，该工艺中存在着热解、沉积和气体扩散之间的竞争，若沉积速率大于气体扩散速率时易使预制体内部产生密度梯度。而流场的变化直接影响CVI(Chemical Vapor Infiltration化学气相渗透法)工艺中浓度场、化学反应以及预制体表面前驱体的均匀性。如何优化高温气相沉积炉内的流场将变得很关键。
根据光伏企业反馈回来的信息，现有的碳/碳复合材料坩埚在使用20炉附近时，易出现裂纹开裂。其原因有两个，原因一：碳/碳复合材料坩埚沉积密度低，表面及内部存在大量孔隙，在高温环境下硅蒸汽通过坩埚孔隙扩散到内部并与碳发生反应生成碳化硅，生成的碳化硅是碳体积的七倍，体积的迅速膨胀使得坩埚内部积攒了大量的应力，应力在某一位置过于集中，超出最大应力则易产生裂纹；原因二：在制备碳/碳复合材料坩埚过程中，由于扩散进预制体内部的前驱体不均匀、不单一(既有大分子物质也有小分子物质)，外加扩散和沉积之间的竞争关系，前驱体热解后生成的沉积热解碳在进行高温石墨化处理之后所得到的织构不同。碳/碳复合材料坩埚在使用情况下存在升温降温过程，不同织构的热膨胀系数也不同，从而造成内部的热应力集中，再加上单晶硅提拉过程中产生的热振动，致使坩埚内部产生裂纹。
专利(CN 103193498 A)通过窄缝气流和感应耦合协同作用，尽管可以有效抑制表面结壳现象，由于预制体表面存在交错毛刺，对于气流有阻挡作用，易在交织毛刺空间内形成微小的涡流死区，使得气体流经窄缝的滞留时间延长、预制体表面附近前驱体变得不再均匀。除此之外，专利(CN 103193498 A)采用下进气，烃类气体在窄缝空间内裂解所生成的大分子物质，被强气流载到坩埚预制体表面进入孔隙内部进一步裂解成碳，大分子物质很容易堵塞内部孔洞，致使后续气体难于进入，坩埚沉积到一定密度就很难再继续增加了，并且需要多次机加工、多次沉积方可达到预期密度。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，以解决现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明可通过以下技术方案予以解决：
本发明的一种基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，包括两个阶段，第一阶段将含有内衬的坩埚预制体放置在高温气相沉积炉内沉积，待坩埚预制体具有足够强度后，对坩埚预制体表面进行机加工；第二阶段在机加工后的坩埚预制体外部套装一外部模具，一内部模具紧贴机加工后坩埚预制体内表面，二次进行气相沉积，所述外部模具上表面开有倾斜孔洞，使气流产生螺旋旋转进入所述外部模具与坩埚预制体间的间隙内。
作为本发明的优选实施例，所述第一阶段基本步骤包括：
1)装炉，将坩埚预制体放置在高温气相沉积炉内，所述沉积炉上部为预热区，下部为恒温区，恒温区从下到上设有若干层支撑板，各个支撑板之间通过石墨柱支撑分离，所述坩埚预制体放置在所述支撑板上，恒温区可放置2个以上坩埚预制体，从上至下，从第二层坩埚预制体开始连通有补气管路；
2)抽真空检查高温气相沉积炉气密性，启动真空泵抽真空，使真空度抽至最低0～1kPa；
3)吹扫；
4)开启冷却水循环系统；
5)升温；
6)快速沉积，将烃类气体作为碳源，氮气或氩气作为稀释气体，从高温气相沉积炉顶部通入，混合气体首先经过预热区，接着经过整流罩进入恒温区，同时对第二和第三层坩埚预制体添加补气管路以弥补前驱体的损耗；
7)降温，停止通入混合气体并停止对高温气相沉积炉加热，通入氮气对沉积炉进行冷却；
8)取出样件进行机加工，将样件加到预定尺寸。
作为本发明的优选实施例，所述第二阶段基本步骤包括：
1)装炉，将经所述第一阶段处理过的坩埚预制体放置在高温气相沉积炉内，所述沉积炉上部为预热区，下部为恒温区，恒温区从下到上设有若干层支撑板，各个支撑板之间通过石墨柱支撑分离，所述坩埚预制体放置在所述支撑板上，恒温区可放置2个以上坩埚预制体，从上至下，从第二层坩埚预制体开始连通有补气管路；所述坩埚预制体外表面套装石墨或石英材质的模具；
2)抽真空检查高温气相沉积炉气密性，启动真空泵抽真空，使真空度抽至最低0～1kPa；
3)吹扫；
4)开启冷却水循环系统；
5)升温；
6)快速沉积，将小于4的烃类气体作为碳源，氮气或氩气作为稀释气体，从高温气相沉积炉顶部通入，混合气体首先经过预热区，预热区经由石墨碳板分割，接着经过导流罩A、石墨筒C、碳碳模具B进入恒温区，碳碳模具B上表面开有倾斜的孔道,同时对第二和第三个坩埚添加补气管路以弥补前驱体的损耗。
有益效果
本发明采用上进气方式，通过在石墨模具上开斜孔，气体从斜孔进入窄缝，并盘旋下降，裂解的大分子物质由于自重逐渐与其他小分子前驱体分离开来，流场的优化控制，可以保证坩埚预制体表面前驱体的均匀性，同时控制气体流经壁面附近的自由空间，严格限制气体流经自由空间的滞留时间。除此之外，通过合理设置补气管道，可做到同时沉积多个碳/碳复合材料坩埚。该方法可大大降低制备碳/碳复合材料坩埚周期和成本。
附图说明
图1为第一阶段坩埚预制体装填示意图
图2-1，2-2为支撑板示意图
图3-1为整流罩侧视图
图3-2为整流罩俯视图
图4为第二阶段坩埚预制体装填示意图
图5-1为碳碳模具的侧视图
图5-2为碳碳模具的立体图
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
本发明的基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，制备碳/碳复合材料坩埚分两个阶段，第一阶段将含有内衬的坩埚预制体放置在高温气相沉积炉内沉积，待坩埚预具有足够强度后，对坩埚表面进行机加工；第二阶段在机加工后的坩埚外部套装模具，一内部模具紧贴机加工后坩埚内表面，二次进行气相沉积，外部模具上表面开有倾斜孔洞，使气流产生螺旋旋转进入模具与坩埚间的间隙内。
实施例1
第一阶段基本步骤：
1)装炉，将碳纤维坩埚预制体4按照如图1所示装填在高温气相沉积炉1中，图中2为预热区，恒温区可放置三个预制体，预制体的数目可根据恒温区的大小做适当调整。各个支撑板之间通过石墨柱支撑(图中没有画出石墨柱)分离。从上至下，从第二个坩埚预制体开始出现补气管路3，每层补气数目为4个，石墨支撑板5和7俯视图如图2-1和图2-2所示，补气管路3为石英材质。坩埚预制体4内部填充有石墨或石英材质的内衬8，内衬8的外表面紧贴坩埚预制体4内表面；
2)抽真空检查高温气相沉积炉气密性，启动真空泵抽真空，使真空度抽至最低0kPa，观察真空表示数是否变化，如果不变化，说明系统气密性良好；
3)吹扫，用氮气对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续2h，目的是将炉内氧气排尽；
4)开启冷却水循环系统；
5)升温，升温速度控制在50℃/h，当温度达到950℃时停止升温；
6)快速沉积，将天然气作为碳源，从高温气相沉积炉顶部通入，氮气作为稀释气体，烃类气体和稀释气体的体积比控制在1:3之间。通入混合气体流量控制在20m3/h，压强控制在3kPa，混合气体首先经过预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到950℃，接着经过整流罩6进入恒温区，整流罩的目的是使进入恒温区的混合气体发生偏转旋转，使得坩埚预制体表面附近的组分更加均匀，有利于坩埚内部热解碳沉积的均匀性，整流罩如图3-1，3-2所示。同时对第二和第三个坩埚添加补气管路以弥补前驱体的损耗。第一阶段热解碳沉积时间控制在100h；
7)降温，停止通入混合气体并停止对高温气相沉积炉加热，通入氮气对沉积炉进行冷却，通如流量控制在，持续时间24h；
8)取出样件进行机加工，将样件加工到预定尺寸。
第二阶段基本步骤：
1)装炉，将碳纤维坩埚预制体按照如图4所示进行装填，恒温区可放置三个预制体，预制体的数目可根据恒温区的大小做适当调整。各个支撑板之间通过石墨柱支撑(图中没有画出石墨柱)分离。从上至下，从第二个坩埚预制体开始出现补气管路，每层补气数目为4个，补气管路为石墨材质。坩埚预制体内部填充有石墨或石英材质的内衬，内衬的外表面紧贴坩埚预制体内表面。除此之外，在坩埚外表面套装石墨或石英材质的模具，使得坩埚和模具之间形成10mm的窄缝。在外层模具上表面开有倾斜的孔道，孔道直径控制在10mm，目的是当气流流经空洞进入窄缝后发生旋转，使其坩埚表面的前驱体分散更加均匀，有利于获得密度更加均匀的产品；
2)抽真空检查高温气相沉积炉气密性。启动真空泵抽真空，使真空度抽至最低0kPa，观察真空表示数是否变化，如果不变化，说明系统气密性良好；
3)吹扫，用氮气对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续2h，目的是将炉内氧气排尽；
4)开启冷却水循环系统；
5)升温，升温速度控制在50℃/h，当温度达到950℃时停止升温；
6)快速沉积，将天然气作为碳源，从高温气相沉积炉顶部通入，氮气作为稀释气体，烃类气体和稀释气体的体积比控制在1:3。通入混合气体流量控制在20m3/h，压强控制在3kPa，混合气体首先经过预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到950℃，接着经过导流罩A、石墨筒C、碳碳模具B进入恒温区，如图5-1，5-2所示，碳碳模具B上表面开有倾斜的孔道，孔道直径控制在10mm，目的是使进入恒温区的混合气体发生偏转旋转，使得坩埚预制体表面附近的组分更加均匀，有利于坩埚内部热解碳沉积的均匀性，同时对第二和第三个坩埚添加补气管路以弥补前驱体的损耗。第二阶段热解碳沉积时间控制在100h。
实施例2
第一阶段基本步骤：
1)装炉，将碳纤维坩埚预制体4按照如图1所示进行装填，恒温区可放置三个预制体，预制体的数目可根据恒温区的大小做适当调整。各个支撑板之间通过石墨柱支撑(图中没有画出石墨柱)分离。从上至下，从第二个坩埚预制体开始出现补气管路3，每层补气数目为4个，补气管路3为石英材质。坩埚预制体4内部填充有石墨或石英材质的内衬8，内衬8的外表面紧贴坩埚预制体4内表面；
2)抽真空检查高温气相沉积炉气密性，启动真空泵抽真空，使真空度抽至最低1kPa，观察真空表示数是否变化，如果不变化，说明系统气密性良好；
3)吹扫，用氮气对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续4h，目的是将炉内氧气排尽；
4)开启冷却水循环系统；
5)升温，升温速度控制在180℃/h，当温度达到1100℃时停止升温；
6)快速沉积，将甲烷作为碳源，从高温气相沉积炉顶部通入，氮气或氩气作为稀释气体，烃类气体和稀释气体的体积比控制在1:10之间。通入混合气体流量控制在100m3/h,压强控制在30kPa，混合气体首先经过预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到1100℃之间，接着经过整流罩进入恒温区，整流罩的目的是使进入恒温区的混合气体发生偏转旋转，使得坩埚预制体表面附近的组分更加均匀，有利于坩埚内部热解碳沉积的均匀性。同时对第二和第三个坩埚添加补气管路以弥补前驱体的损耗。第一阶段热解碳沉积时间控制在200h；
7)降温，停止通入混合气体并停止对高温气相沉积炉加热，通入氮气对沉积炉进行冷却，通如流量控制在，持续时间48h；
8)取出样件进行机加工，将样件加工到预定尺寸。
第二阶段基本步骤：
1)装炉，将碳纤维坩埚预制体按照如图4所示进行装填，恒温区可放置三个预制体，预制体的数目可根据恒温区的大小做适当调整。各个支撑板之间通过石墨柱支撑(图中没有画出石墨柱)分离。从上至下，从第二个坩埚预制体开始出现补气管路，每层补气数目为4个，补气管路为石墨材质。坩埚预制体内部填充有石墨或石英材质的内衬，内衬的外表面紧贴坩埚预制体内表面。除此之外，在坩埚外表面套装石墨或石英材质的模具，使得坩埚和模具之间形成30mm的窄缝。在外层模具上表面开有倾斜的孔道，孔道直径控制在30mm，目的是当气流流经空洞进入窄缝后发生旋转，使其坩埚表面的前驱体分散更加均匀，有利于获得密度更加均匀的产品；
2)抽真空检查高温气相沉积炉气密性。启动真空泵抽真空，使真空度抽至最低1kPa，观察真空表示数是否变化，如果不变化，说明系统气密性良好；
3)吹扫，用氮气对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续4h，目的是将炉内氧气排尽；
4)开启冷却水循环系统；
5)升温，升温速度控制在180℃/h，当温度达到1100℃时停止升温；
6)快速沉积，将甲烷作为碳源，从高温气相沉积炉顶部通入，氩气作为稀释气体，烃类气体和稀释气体的体积比控制在1:10。通入混合气体流量控制在100m3/h,压强控制在30kPa，混合气体首先经过预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到1100℃，接着经过导流罩A、石墨筒C、碳碳模具B进入恒温区，碳碳模具B上表面开有倾斜的孔道，孔道直径控制在30mm，目的是使进入恒温区的混合气体发生偏转旋转，使得坩埚预制体表面附近的组分更加均匀，有利于坩埚内部热解碳沉积的均匀性，同时对第二和第三个坩埚添加补气管路以弥补前驱体的损耗。第二阶段热解碳沉积时间控制在200h。
实施例3
第一阶段基本步骤：
1)装炉，将碳纤维坩埚预制体4按照如图1所示进行装填，恒温区可放置三个预制体，预制体的数目可根据恒温区的大小做适当调整。各个支撑板之间通过石墨柱支撑(图中没有画出石墨柱)分离。从上至下，从第二个坩埚预制体开始出现补气管路3，每层补气数目为4个，补气管路3为石英材质。坩埚预制体4内部填充有石墨或石英材质的内衬8，内衬8的外表面紧贴坩埚预制体4内表面；
2)抽真空检查高温气相沉积炉气密性，启动真空泵抽真空，使真空度抽至最低0.5kPa，观察真空表示数是否变化，如果不变化，说明系统气密性良好；
3)吹扫，用氮气对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续3h，目的是将炉内氧气排尽；
4)开启冷却水循环系统；
5)升温，升温速度控制在150℃/h，当温度达到990℃时停止升温；
6)快速沉积，将乙烷作为碳源，从高温气相沉积炉顶部通入，氮气作为稀释气体，烃类气体和稀释气体的体积比控制在1:5之间。通入混合气体流量控制在50m3/h，压强控制在20kPa，混合气体首先经过预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到990℃之间，接着经过整流罩进入恒温区，整流罩的目的是使进入恒温区的混合气体发生偏转旋转，使得坩埚预制体表面附近的组分更加均匀，有利于坩埚内部热解碳沉积的均匀性，同时对第二和第三个坩埚添加补气管路以弥补前驱体的损耗。第一阶段热解碳沉积时间控制在150h；
7)降温，停止通入混合气体并停止对高温气相沉积炉加热，通入氮气对沉积炉进行冷却，通如流量控制在，持续时间28h；
8)取出样件进行机加工，将样机加工到预定尺寸。
第二阶段基本步骤：
1)装炉，将碳纤维坩埚预制体按照如图4所示进行装填，恒温区可放置三个预制体，预制体的数目可根据恒温区的大小做适当调整。各个支撑板之间通过石墨柱支撑(图中没有画出石墨柱)分离。从上至下，从第二个坩埚预制体开始出现补气管路，每层补气数目为4个，补气管路为石墨材质。坩埚预制体内部填充有石墨或石英材质的内衬，内衬的外表面紧贴坩埚预制体内表面。除此之外，在坩埚外表面套装石墨或石英材质的模具，使得坩埚和模具之间形成15mm的窄缝。在外层模具上表面开有倾斜的孔道，孔道直径控制在15mm，目的是当气流流经空洞进入窄缝后发生旋转，使其坩埚表面的前驱体分散更加均匀，有利于获得密度更加均匀的产品；
2)抽真空检查高温气相沉积炉气密性。启动真空泵抽真空，使真空度抽至最低0.5kPa，观察真空表示数是否变化，如果不变化，说明系统气密性良好；
3)吹扫，用氮气对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续3h，目的是将炉内氧气排尽。
4)开启冷却水循环系统；
5)升温，升温速度控制在100℃/h，当温度达到100℃时停止升温；
6)快速沉积，将乙烷作为碳源，从高温气相沉积炉顶部通入，氮气作为稀释气体，烃类气体和稀释气体的体积比控制在1:8之间。通入混合气体流量控制在80m3/h,压强控制在10kPa，混合气体首先经过预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到1000℃，接着经过导流罩A、石墨筒C、碳碳模具B进入恒温区，碳碳模具B上表面开有倾斜的孔道，孔道直径控制在18mm，目的是使进入恒温区的混合气体发生偏转旋转，使得坩埚预制体表面附近的组分更加均匀，有利于坩埚内部热解碳沉积的均匀性，同时对第二和第三个坩埚添加补气管路以弥补前驱体的损耗。第二阶段热解碳沉积时间控制在120h。
实施例4
第一阶段基本步骤：
1)装炉，将碳纤维坩埚预制体4按照如图1所示进行装填，恒温区可放置三个预制体，预制体的数目可根据恒温区的大小做适当调整。各个支撑板之间通过石墨柱支撑(图中没有画出石墨柱)分离。从上至下，从第二个坩埚预制体开始出现补气管路3，每层补气数目为4个，补气管路3为石英材质。坩埚预制体4内部填充有石墨或石英材质的内衬8，内衬8的外表面紧贴坩埚预制体4内表面；
2)抽真空检查高温气相沉积炉气密性，启动真空泵抽真空，使真空度抽至最低0kPa，观察真空表示数是否变化，如果不变化，说明系统气密性良好；
3)吹扫，用氮气对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续2h，目的是将炉内氧气排尽；
4)开启冷却水循环系统；
5)升温，升温速度控制在180℃/h，当温度达到950℃时停止升温；
6)快速沉积，将乙烯作为碳源，从高温气相沉积炉顶部通入，氮气或氩气作为稀释气体，烃类气体和稀释气体的体积比控制在1:9。通入混合气体流量控制在70m3/h，压强控制在25kPa，混合气体首先经过预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到960℃，接着经过整流罩进入恒温区，整流罩的目的是使进入恒温区的混合气体发生偏转旋转，使得坩埚预制体表面附近的组分更加均匀，有利于坩埚内部热解碳沉积的均匀性，同时对第二和第三个坩埚添加补气管路以弥补前驱体的损耗。第一阶段热解碳沉积时间控制在190h；
7)降温，停止通入混合气体并停止对高温气相沉积炉加热，通入氮气对沉积炉进行冷却，通如流量控制在，持续时间40h；
8)取出样件进行机加工，将刚果机加到预定尺寸。
第二阶段基本步骤：
1)装炉，将碳纤维坩埚预制体按照如图4所示进行装填，恒温区可放置三个预制体，预制体的数目可根据恒温区的大小做适当调整。各个支撑板之间通过石墨柱支撑(图中没有画出石墨柱)分离。从上至下，从第二个坩埚预制体开始出现补气管路，每层补气数目为4个，补气管路为石墨材质。坩埚预制体内部填充有石墨或石英材质的内衬，内衬的外表面紧贴坩埚预制体内表面。除此之外，在坩埚外表面套装石墨或石英材质的模具，使得坩埚和模具之间形成16mm的窄缝。在外层模具上表面开有倾斜的孔道，孔道直径控制在16mm，目的是当气流流经空洞进入窄缝后发生旋转，使其坩埚表面的前驱体分散更加均匀，有利于获得密度更加均匀的产品；
2)抽真空检查高温气相沉积炉气密性。启动真空泵抽真空，使真空度抽至最低1kPa，观察真空表示数是否变化，如果不变化，说明系统气密性良好；
3)吹扫，用氮气对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续2h，目的是将炉内氧气排尽；
4)开启冷却水循环系统；
5)升温，升温速度控制在50℃/h，当温度达到990℃时停止升温；
6)快速沉积，将乙烯作为碳源，从高温气相沉积炉顶部通入，氩气作为稀释气体，烃类气体和稀释气体的体积比控制在1:10之间。通入混合气体流量控制在30m3/h,压强控制在30kPa，混合气体首先经过预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到970℃，接着经过导流罩A、石墨筒C、碳碳模具B进入恒温区，碳碳模具B上表面开有倾斜的孔道，孔道直径控制在19mm，目的是使进入恒温区的混合气体发生偏转旋转，使得坩埚预制体表面附近的组分更加均匀，有利于坩埚内部热解碳沉积的均匀性，同时对第二和第三个坩埚添加补气管路以弥补前驱体的损耗。第二阶段热解碳沉积时间控制在100h。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，包括两个阶段，第一阶段将含有内衬的坩埚预制体放置在高温气相沉积炉内沉积，待坩埚预制体具有足够强度后，对坩埚预制体表面进行机加工；第二阶段在机加工后的坩埚预制体外部套装一外部模具，一内部模具紧贴机加工后坩埚预制体内表面，二次进行气相沉积，所述外部模具上表面开有倾斜孔洞，使气流产生螺旋旋转进入所述外部模具与坩埚预制体间的间隙内。
2.根据权利要求1所述基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，其特征在于，所述第一阶段基本步骤包括：
1)装炉，将坩埚预制体放置在高温气相沉积炉内，所述沉积炉上部为预热区，下部为恒温区，恒温区从下到上设有若干层支撑板，各个支撑板之间通过石墨柱支撑分离，所述坩埚预制体放置在所述支撑板上，恒温区可放置2个以上坩埚预制体，从上至下，从第二层坩埚预制体开始连通有补气管路；
2)抽真空检查高温气相沉积炉气密性，启动真空泵抽真空，使真空度抽至最低0～1kPa；
3)吹扫；
4)开启冷却水循环系统；
5)升温；
6)快速沉积，将碳原子数小于4的烃类气体作为碳源，氮气或氩气作为稀释气体，从高温气相沉积炉顶部通入，混合气体首先经过预热区，接着经过整流罩进入恒温区，同时对第二和第三层坩埚预制体添加补气管路以弥补前驱体的损耗；
7)降温，停止通入混合气体并停止对高温气相沉积炉加热，通入氮气对沉积炉进行冷却；
8)取出样件进行机加工，将样件加工到预定尺寸。
3.根据权利要求1所述基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，其特征在于，所述第二阶段基本步骤包括：
1)装炉，将经所述第一阶段处理过的坩埚预制体放置在高温气相沉积炉内，所述沉积炉上部为预热区，下部为恒温区，恒温区从下到上设有若干层支撑板，各个支撑板之间通过石墨柱支撑分离，所述坩埚预制体放置在所述支撑板上，恒温区可放置2个以上坩埚预制体，从上至下，从第二层坩埚预制体开始连通有补气管路；所述坩埚预制体外表面套装石墨或石英材质的模具；
2)抽真空检查高温气相沉积炉气密性，启动真空泵抽真空，使真空度抽至最低0～1kPa；
3)吹扫；
4)开启冷却水循环系统；
5)升温；
6)快速沉积，将碳原子数小于4的烃类气体作为碳源，氮气或氩气作为稀释气体，从高温气相沉积炉顶部通入，混合气体首先经过预热区，预热区经由石墨碳板分割，接着经过导流罩A、石墨筒C、碳碳模具B进入恒温区，碳碳模具B上表面开有倾斜的孔道,同时对第二和第三个坩埚添加补气管路以弥补前驱体的损耗。
4.根据权利要求2或3所述的基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，其特征在于，所述步骤1)中，每层补气数目为4个，补气管路为石英材质；所述坩埚预制体内部填充有石墨或石英材质的内衬，内衬的外表面紧贴所述坩埚预制体内表面。
5.根据权利要求2或3所述的基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，其特征在于，所述步骤3)中，用氮气对整个高温气相沉积炉内进行吹扫，吹扫时间持续2h～4h。
6.根据权利要求2或3所述的基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，其特征在于，所述步骤5)中，升温速度控制在50℃/h～180℃/h，当温度达到950℃～1100℃时停止升温。
7.根据权利要求2或3所述的基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，其特征在于，所述烃类气体和稀释气体的体积比控制在1:3～1:10之间，通入混合气体流量控制在20m3/h～100m3/h,压强控制在3kPa～30kPa，混合气体首先经过预热区，预热区经由石墨碳板分割，目的是最终将混合气体的温度加热到950℃～1100℃之间。
8.根据权利要求3所述的基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，其特征在于，所述步骤1)中，在坩埚预制体外表面套装石墨或石英材质的模具，使得坩埚预制体和模具之间形成10～30mm的窄缝，且该模具上表面开有倾斜的孔道，孔道直径控制在10～30mm。
9.根据权利要求2或3所述的基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，其特征在于，所述第一阶段和第二阶段热解碳沉积时间控制在100～200h；所述碳原子数小于4的烃类气体为天然气，甲烷，乙烷，乙烯，丙烷或丙烯。
10.根据权利要求2所述的基于流场优化制备碳/碳坩埚的CVI工艺方法，其特征在于，所述步骤7)中，所述冷却的持续时间为24～48h。
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| CN115652282B (zh) * | 2022-11-16 | 2024-04-05 | 湖南碳材科技有限公司 | 一种复合cvd石墨材料及其制备方法和应用 |
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06338490A (ja) * | 1993-05-28 | 1994-12-06 | Shinko Electric Co Ltd | 三重槽構造の減圧ｃｖｄ装置 |
| JP2001107249A (ja) * | 1999-10-05 | 2001-04-17 | Central Glass Co Ltd | 常圧ｃｖｄ成膜装置 |
| CN101328577A (zh) * | 2008-07-17 | 2008-12-24 | 居小平 | 一种化学气相沉积制备飞机碳刹车盘的方法 |
| CN102363878A (zh) * | 2011-11-10 | 2012-02-29 | 西安航空制动科技有限公司 | 一种化学气相沉积炉预热装置 |
| CN102976724A (zh) * | 2011-09-05 | 2013-03-20 | 庄国明 | 一种远红外芯片及利用该远红外芯片的节能设备 |
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06338490A (ja) * | 1993-05-28 | 1994-12-06 | Shinko Electric Co Ltd | 三重槽構造の減圧ｃｖｄ装置 |
| JP2001107249A (ja) * | 1999-10-05 | 2001-04-17 | Central Glass Co Ltd | 常圧ｃｖｄ成膜装置 |
| CN101328577A (zh) * | 2008-07-17 | 2008-12-24 | 居小平 | 一种化学气相沉积制备飞机碳刹车盘的方法 |
| CN102976724A (zh) * | 2011-09-05 | 2013-03-20 | 庄国明 | 一种远红外芯片及利用该远红外芯片的节能设备 |
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Non-Patent Citations (2)
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| CVI法制备2D C/C复合材料;汤素芳等;《新型炭材料》;20051231(第2期);第139-143页 * |
| Densification of carbon/carbon composites by pulse chemical vapor infiltration;Hyeok JeJeong et al.;《Carbon》;19961231;第34卷(第3期);第417-421页 * |
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