CN112981371A - 一种化学气相沉积模具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种化学气相沉积模具，属于复合材料制备领域，包括带孔预制体反应腔，带孔预制体反应腔包括密封外壁和带孔内壁，带孔内壁内形成中心反应腔，密封外壁与带孔内壁之间形成中空腔体，中空腔体的一端封闭、另一端敞口或开设第一通气孔；带孔内壁的侧壁开设第二通气孔；带孔预制体反应腔的一端设置进气管、另一端设置出气管。通过上述中空腔体使得气流可以沿着径向进入中心反应腔，另一路气体直接沿着轴向进入中心反应腔，两路垂直方向气体流使得碳纤维编织件预制体周围气流能够更深地进入预制体内，促进沉积反应，提高沉积效率，可在均匀混合多路气体的前提下提高气体的利用率，有利于快速制备出密度分布更加均匀的复合材料，实用性强。

Description

一种化学气相沉积模具
技术领域
本发明属于复合材料制备领域，涉及化学气相沉积法制备高强度复合材料，特别是涉及一种化学气相沉积模具。
背景技术
碳纤维增强碳基体复合材料，即C/C复合材料，是以碳纤维或者碳纤维编织体为增强材料，以石墨或碳为基体，通过加工得到的一种高强度复合材料。常用的制备方法是化学气相沉积法，是将多孔碳纤维编织件作为预制体，碳氢化合物(CH4、C3H6等)作为前驱体在高温真空环境下发生脱氢成碳反应，通过调控温度、压力、滞留时间、前驱体浓度等因素最终形成C/C复合材料。C/C-BN复合材料是在C/C复合材料的基础上使用BCl3和NH3作为前驱体，再次经过化学气相沉积过程得到的复合材料。C/C-BN复合材料具有优异的耐摩擦性、抗热冲击性、高温抗氧化性等优点被广泛应用于高温热场领域，例如火箭发动机喷管、航天飞机端头帽、飞机刹车盘等。
制备C/C-BN复合材料最常用的工艺方法是化学气相沉积法，但该方法一般所需能源消耗较大、沉积周期较长；而且由于气体输运路径的设计往往会对预制体的沉积质量产生重大影响，所以多路气体的使用对沉积室的设计具有更高的要求。而传统的化学气相沉积设备在处理多路气体的混合时往往会在模具外部增加一个气体混合腔来令气体混合均匀，这样无疑增加了设备的尺寸，而且还会出现气密性差的状况。此外，当碳纤维编织件预制体在沉积模具内部沿轴向竖直放置时，若气流仅存在轴向速度那么会造成碳纤维编织件预制体周围气体分布不均、气体径向扩散进入预制体缓慢且气体利用率不高。
现有专利号为CN 206881534 U的专利公开一种双螺旋式烟气循环烧结混合器，其通过在反应腔体内设置紊流台，两个进气口分别向内腔中通入待混合的气体，以使两股气体在内腔中分别呈螺旋状流动并相互混合，利用相对的错开进风的方式使气体进入内腔后形成双螺旋气流，从而形成强大的紊流，达到均匀混合的目的。该技术虽然克服了在模具外部增设气体混合腔所存在的上述弊端，但是使用此种方法最终得到的气流方向难以控制。
综上所述，采用化学气相沉积法制备高强度复合材料时，如何在均匀混合多路气体的前提下提高气体的利用率，确保预制体周围气体能够快速进入预制体，提高气相均匀沉积速率，并快速制备出密度分布更加均匀的复合材料，是本发明亟待解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种化学气相沉积模具，以解决上述现有技术存在的问题，该化学气相沉积模具依据化学气相沉积法对沉积室中的沉积模具进行改进，可在均匀混合多路气体的前提下提高气体的利用率，有利于快速制备出密度分布更加均匀的复合材料。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种化学气相沉积模具，包括：
带孔预制体反应腔，所述带孔预制体反应腔包括密封外壁和套设于所述密封外壁内的带孔内壁，所述带孔内壁内形成中心反应腔，所述密封外壁与所述带孔内壁之间形成中空腔体，所述中心反应腔内用于放置预制体；所述中空腔体的一端封闭，所述中空腔体的另一端敞口或开设第一通气孔；所述带孔内壁的侧壁开设有第二通气孔；
进气管，所述带孔预制体反应腔的一端设置所述进气管，所述进气管内沿轴向布置螺旋曲面，所述螺旋曲面用于将两种以上的进气流混合；混合后的气流沿所述带孔预制体反应腔的轴向导入所述中心反应腔和所述中空腔体，进入所述中空腔体的所述混合后的气流再经所述第二通气孔，沿所述带孔预制体反应腔的径向导入所述中心反应腔；
出气管，所述带孔预制体反应腔的另一端设置所述出气管，且所述中空腔体的封闭端靠近所述出气管设置。
可选的，所述带孔预制体反应腔与所述进气管之间还设置有布气装置，所述布气装置用于将混合后的气流均匀喷淋至所述中心反应腔或所述中空腔体。
可选的，所述布气装置包括布气板，所述布气板上均匀开设有布气孔。
可选的，所述布气板为石墨板；所述布气孔包括若干第一布气孔和若干第二布气孔，所述第一布气孔与所述中心反应腔内连通，所述第二布气孔与所述中空腔体内连通。
可选的，所述进气管的出气口为锥形出气口，且所述锥形出气口的大头端与所述带孔预制体反应腔对接。
可选的，所述进气管包括圆柱管和第一锥形管，所述螺旋曲面安装于所述圆柱管内，所述第一锥形管的小头端与所述圆柱管对接、大头端与所述带孔预制体反应腔对接。
可选的，所述出气管包括第二锥形管，所述第二锥形管的大头端与所述带孔预制体反应腔对接，所述第二锥形管的小头端与排气管道连接。
可选的，所述第一布气孔在所述布气板上呈圆形阵列均匀分布。
可选的，所述第二布气孔在所述布气板上呈圆周均匀分布。
可选的，所述密封外壁与所述带孔内壁为一体成型结构。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的化学气相沉积模具，结构设计合理，通过带孔内壁和密封外壁中间存在的中空腔体使得气流可以沿着径向进入中心反应腔，另一路气体直接沿着轴向进入中心反应腔，两路垂直方向气体流使得碳纤维编织件预制体周围气流能够更深地进入预制体内，促进沉积反应，提高沉积效率，可在均匀混合多路气体的前提下提高气体的利用率，有利于快速制备出密度分布更加均匀的复合材料。
此外，本发明依据化学气相沉积法对沉积室中的沉积模具进行改进，将螺旋曲面应用到沉积模具中，相比较以往在模具外部专门设置气体混合腔的结构布置，减小了整个沉积设备的尺寸，确保了沉积模具整体的密封性。同时，采用内置螺旋曲面的锥形进气口和布气装置组合的方式，既可保证多路气体均匀混合，又能够控制气流路径沿着轴向分布至带孔预制体反应腔内，实用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明化学气相沉积模具的结构示意图；
图2为本发明化学气相沉积模具的轴向剖面图；
图3为本发明化学气相沉积模具的径向剖面图；
其中，附图标记为：100.化学气相沉积模具；1.进气管；1-1.圆柱管；1-2.螺旋曲面；1-3.第一锥形管；2.布气装置；2-1.布气板；2-2.第一布气孔；2-3.第二布气孔；3.带孔内壁；3-1.第二通气孔；4.中空腔体；5.密封外壁；6.带孔预制体反应腔；7.中心反应腔；8.出气管；8-1.第二锥形管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种化学气相沉积模具，以解决现有技术存在的问题，该化学气相沉积模具依据化学气相沉积法对沉积室中的沉积模具进行改进，可在均匀混合多路气体的前提下提高气体的利用率，有利于快速制备出密度分布更加均匀的复合材料。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-3所示，本实施例提供一种化学气相沉积模具100，包括带孔预制体反应腔6、进气管1和出气管8，带孔预制体反应腔6包括密封外壁5和套设于密封外壁5内的带孔内壁3，带孔内壁3内形成中心反应腔7，密封外壁5与带孔内壁3之间形成中空腔体4，中心反应腔7内用于放置预制体；中空腔体4的一端封闭，另一端敞口设置或开设第一通气孔；带孔内壁3的侧壁均匀开设有若干第二通气孔3-1；带孔预制体反应腔6的一端设置进气管1，另一端设置出气管8，且中空腔体4的封闭端靠近出气管8设置。进气管1内沿轴向布置螺旋曲面1-2，螺旋曲面1-2用于将两种以上的进气流混合；混合后的气流沿带孔预制体反应腔6的轴向导入中心反应腔7和中空腔体4，进入中空腔体4的混合后的气流再经第二通气孔3-1，沿带孔预制体反应腔6的径向导入中心反应腔7内。
本实施例中，如图1-3所示，带孔预制体反应腔6与进气管1之间还设置有布气装置2，布气装置2用于将混合后的气流均匀喷淋至中心反应腔7和中空腔体4。布气装置2包括布气板2-1，布气板2-1上均匀开设有布气孔。其中，布气板2-1优选为石墨板，布气孔包括若干第一布气孔2-2和若干第二布气孔2-3，第一布气孔2-2用于与中心反应腔7内连通，第二布气孔2-3用于与中空腔体4内连通。根据实际需求，可设置多种规格的布气板2-1，即不同规格的布气板2-1尺寸不同，且不同规格的布气板2-1上布气孔的孔径和分布方式也不尽相同，布气孔的孔径、数量和分布方式的不同可以达到调节气流流量的效果。
本实施例中，如图1-3所示，进气管1的出气口优选为锥形出气口，且锥形出气口的大头端与带孔预制体反应腔6的顶端进气端对接。具体地，进气管1包括圆柱管1-1和第一锥形管1-3，螺旋曲面1-2安装于圆柱管1-1内，第一锥形管1-3的小头端与圆柱管1-1的出气口对接、大头端与带孔预制体反应腔6的顶端进气端对接。圆柱管1-1的进气口对接用于引入两种以上所需气流。
本实施例中，如图1-3所示，出气管8包括第二锥形管8-1，且第二锥形管8-1的大头端与带孔预制体反应腔6的底端出气端对接，第二锥形管8-1的小头端与一排气管道连接。出气管8用于将带孔预制体反应腔6内的气体排出腔外。
本实施例中，如图3所示，第一布气孔2-2在布气板2-1的中心优选呈圆形阵列均匀分布。第二布气孔2-3在布气板2-1上呈圆周均匀分布，且鉴于中空腔体4位于中心反应腔7的外周，第二布气孔2-3也分布设置于第一布气孔2-2阵列的外周。
本实施例中，密封外壁5与带孔内壁3优选为一体成型结构，并优选采用石墨制作。相邻部件，带孔预制体反应腔6与进气管1、出气管8之间优选采用过盈配合式的开拆卸连接方式，带孔预制体反应腔6与布气装置之间也优选采用可拆卸式连接方式。
本实施例在进气管1的进口端设置螺旋曲面1-2，主要作用是当两种以上气体沿轴向进入后会增加一个径向速度，气体沿着螺旋曲面1-2向下输运发生紊流并快速均匀的混合，提高混合气体的混合效率和混合均匀度，从而保证进入反应腔体的气相组分充分混合，避免气体还未发生反应或充分混合就已经被排出至带孔预制体反应腔6内。
本实施例布气装置2相当于一气体喷淋头，作用是将来自进气管1的混合均匀的气体通过圆周阵列式分布的布气孔均匀地沿轴向输运至中心反应腔7内和中空腔体4内，布气孔的数量及大小可以根据实际腔体的大小和流速进行设计。
本实施例通过将中空腔体4的顶端开口设置，不仅使中空腔体4内也会有气体(混合后的气流)流过，且由于中空腔体4底部被密封，气体只能从带孔内壁3上的第二通气孔3-1进一步向预制体所在的中心反应腔7内流动。预制体优选为长方体的预制体，并被竖直放置于中心反应腔7内，可同时接受来自布气装置2的轴向和带孔内壁3的径向两路气流。其中，第二通气孔3-1优选为圆形通孔。
本实施例出气管8的主要作用是收集来自带孔预制体反应腔6的气体，排至腔外。
下面以多孔碳纤维编织件作为预制体、使用三氯化硼和氨气作为反应气体、氩气作为保护、运输气体为例，对本实施例上述化学气相沉积模具100的使用方法和工作原理作具体说明：
使用三氯化硼和氨气作为反应气体，氩气作为保护、输运气体在碳纤维编织件上沉积氮化硼界面时，化学气相沉积模具100内发生的过程有：三氯化硼、氨气和氩气以一定的流速沿轴向进入进气管1，气体在进气管1中被充分混合后到达布气装置2。经过布气装置2的气流有两条流通路径：第一条路径是经靠近内部的第一布气孔2-2直接进入预制体所在的中心反应腔7内，由于预制体被竖直放置于中心反应腔7内，所以气流方向平行于预制体外表面，最终传输至出气管8；第二条路径是经靠近边缘的第二布气孔2-3进入中空腔体4的空间中，由于该空间底部密封，所以气体只能通过带孔内壁3的第二通气孔进入中心反应腔7，气流方向垂直于预制体外表面。此外，第二路径的径向气体还会受到第一路径气体的影响，具备法向速度，所以最终也会沿着轴向传输至出气管8。
由此可见，本实施例提供的化学气相沉积模具，结构设计合理，通过带孔内壁和密封外壁中间存在的中空腔体使得气流可以沿着径向进入中心反应腔，另一路气体直接沿着轴向进入中心反应腔，两路垂直方向气体流使得碳纤维编织件预制体周围气流能够更深地进入预制体内，促进沉积反应，提高沉积效率，可在均匀混合多路气体的前提下提高气体的利用率，有利于快速制备出密度分布更加均匀的复合材料。
此外，本实施例依据化学气相沉积法对沉积室中的沉积模具进行改进，将螺旋曲面应用到沉积模具中，相比较以往在模具外部专门设置气体混合腔的结构布置，减小了整个沉积设备的尺寸，确保了沉积模具整体的密封性。同时，采用内置螺旋曲面的锥形进气口和布气装置组合的方式，既可保证多路气体均匀混合，又能够控制气流路径沿着轴向分布至带孔预制体反应腔内，实用性强。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种化学气相沉积模具，其特征在于，包括：
带孔预制体反应腔，所述带孔预制体反应腔包括密封外壁和套设于所述密封外壁内的带孔内壁，所述带孔内壁内形成中心反应腔，所述密封外壁与所述带孔内壁之间形成中空腔体，所述中心反应腔内用于放置预制体；所述中空腔体的一端封闭，所述中空腔体的另一端敞口或开设第一通气孔；所述带孔内壁的侧壁开设有第二通气孔；
进气管，所述带孔预制体反应腔的一端设置所述进气管，所述进气管内沿轴向布置螺旋曲面，所述螺旋曲面用于将两种以上的进气流混合；混合后的气流沿所述带孔预制体反应腔的轴向导入所述中心反应腔和所述中空腔体，进入所述中空腔体的所述混合后的气流再经所述第二通气孔，沿所述带孔预制体反应腔的径向导入所述中心反应腔；
出气管，所述带孔预制体反应腔的另一端设置所述出气管，且所述中空腔体的封闭端靠近所述出气管设置。
2.根据权利要求1所述的化学气相沉积模具，其特征在于，所述带孔预制体反应腔与所述进气管之间还设置有布气装置，所述布气装置用于将混合后的气流均匀喷淋至所述中心反应腔或所述中空腔体。
3.根据权利要求2所述的化学气相沉积模具，其特征在于，所述布气装置包括布气板，所述布气板上均匀开设有布气孔。
4.根据权利要求3所述的化学气相沉积模具，其特征在于，所述布气板为石墨板；所述布气孔包括若干第一布气孔和若干第二布气孔，所述第一布气孔与所述中心反应腔内连通，所述第二布气孔与所述中空腔体内连通。
5.根据权利要求1所述的化学气相沉积模具，其特征在于，所述进气管的出气口为锥形出气口，且所述锥形出气口的大头端与所述带孔预制体反应腔对接。
6.根据权利要求1所述的化学气相沉积模具，其特征在于，所述进气管包括圆柱管和第一锥形管，所述螺旋曲面安装于所述圆柱管内，所述第一锥形管的小头端与所述圆柱管对接、大头端与所述带孔预制体反应腔对接。
7.根据权利要求1所述的化学气相沉积模具，其特征在于，所述出气管包括第二锥形管，所述第二锥形管的大头端与所述带孔预制体反应腔对接，所述第二锥形管的小头端与排气管道连接。
8.根据权利要求4所述的化学气相沉积模具，其特征在于，所述第一布气孔在所述布气板上呈圆形阵列均匀分布。
9.根据权利要求4所述的化学气相沉积模具，其特征在于，所述第二布气孔在所述布气板上呈圆周均匀分布。
10.根据权利要求1所述的化学气相沉积模具，其特征在于，所述密封外壁与所述带孔内壁为一体成型结构。
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