CN220564715U - 一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装 - Google Patents

Abstract

本申请涉及制备盘装碳/碳复合材料工装的领域，尤其是涉及一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装，其包括底炉盘、顶炉盘、底炉盘上的进气孔与顶炉盘上的出气孔、缓流底盘与缓流顶盘，缓流底盘的外壁与底炉盘内壁贴合；缓流口，缓流口穿设在缓流底盘的中心，用于引导工艺气体进入缓流部；缓流底环，缓流底环同轴不同径设置有多个，缓流底环设置在缓流底盘的顶侧；通气孔，通气孔靠近缓流底盘边缘穿设，通气孔周向等间距分布有多个；缓流顶环，缓流顶环同轴不同径设置有多个，且与缓流底环相间分布，缓流顶环与缓流底环之间形成缓流通道。本实用新型具有改善工艺原料气体在沉积过程中密度均匀性差，区域密度差距大的问题的效果。

Description

一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装

技术领域

本申请涉及制备盘装碳/碳复合材料工装的领域，尤其是涉及一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装。

背景技术

碳/碳复合材料是指以碳作为基体，以碳纤维作为增强体的一类复合材料。碳/碳复合材料具有低密度、高强度、高比模、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在2000℃以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦损耗性能和生物相容性（组织成分及力学性能上均相容）、对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能，尤其是碳/碳复合材料的强度随温度升高不降反升的独特性能，使其作为高性能发动机热端部件和使用于高超声速飞行器热防护系统具有其他材料难以比拟的优势。

CVD（或CVI）是碳/碳复合材料常见的一种制备工艺，CVD即化学气相法，是应用气态物质在固体上产生化学反应和传输反应并产生固态沉积物的一种工艺，在碳/碳复合材料的制备中，选用化学气相沉积炉作为制备主体。

碳/碳材料制备过程中，将工艺气体通入化学气相沉积炉内部，在炉体内部通过热辐射的形式升温并在炉体出口处热分解为碳、氢分子团，其中碳分子团在碳材料表体沉淀，并于表面逐渐增密，获得碳/碳复合材料的基体碳。

针对上述中的相关技术，发明人认为当工艺气体在化学气相沉积炉内时，在炉口容易发生沉积密度均匀性差，或同批次密度差异大的缺点。

实用新型内容

为了改善工艺原料气体在沉积过程中密度均匀性差，区域密度差距大的问题，本实用新型提供一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装。

本实用新型提供的一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装采用如下的技术方案：

一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装，包括底炉盘、顶炉盘、开设在底炉盘上的多个进气孔与开设在顶炉盘上的多个出气孔，其特征在于：还包括；

缓流部，所述缓流部设置在所述底炉盘与所述顶炉盘之间，用于放缓工艺气体的流速；

所述缓流部包括；

缓流底盘与缓流顶盘，所述缓流顶盘抵接所述缓流底盘，缓流底盘的外壁与所述底炉盘内壁贴合，相应地，底炉盘侧壁阶梯状设置；

缓流口，所述缓流口穿设在所述缓流底盘的中心，用于引导工艺气体进入所述缓流部；

缓流底环，所述缓流底环同轴不同径设置有多个，缓流底环设置在所述缓流底盘的顶侧，每两相邻缓流底环之间的间距相等；

通气孔，所述通气孔靠近所述缓流底盘边缘穿设，通气孔周向等间距分布有多个；

缓流顶环，所述缓流顶环设置在所述缓流顶盘的底侧，缓流顶环同轴不同径设置有多个，且与所述缓流底环相间分布，缓流顶环与缓流底环之间形成缓流通道。

通过采用上述技术方案，将顶炉盘、底炉盘、缓流顶盘与缓流底盘作为主体架构，自上而下依次抵接分布，将整个化学气相沉积炉工装分为三层，工艺气体从下方的进气孔进入底炉盘与缓流底盘之间，底炉盘与缓流底盘之间空间起到暂存缓冲的作用，工艺进气进入后速度放缓，再通过顶部的通气孔进入缓冲通道，当缓流底盘与缓流顶盘相贴合时，缓冲底环与缓冲顶环相间分布，侧壁之间的留下较窄的缝隙，极大的放缓了工艺气体的流速，工艺气体有足够的时间受热至理想温度，最后经多个通气孔均匀的发散至顶炉盘与缓流顶盘之间二次缓存，经过出气孔分流，调整气体的流动方式，使反应后的气体差异化流动至顶炉盘表面，热解为碳、氢分子团，碳分子团逐渐下沉增密，从而获得碳/碳复合材料的基体碳。

可选的，所述缓流口侧壁顶端与每个所述缓流底环顶侧的高度相等。

通过采用上述技术方案，将半径最小的缓流底环作为缓流口侧壁，延长缓流通道前端长度，减小缓流部入口处气体的流速并稳定缓流部前端的平均气体流速；气体在化学气相沉积炉内受热体积膨胀，在缓流口内气体逐渐上升，缓流口侧壁与缓流顶盘之间的窄小缝隙流入缓流通道。

可选的，所述缓流顶盘侧壁呈阶梯状设置，且其半径与所述底炉盘的半径相等，缓流顶盘的侧壁与底炉盘的侧壁贴合，贴合面与所述缓流底盘的顶端面、底端面交错。

通过采用上述技术方案，将缓流顶盘侧壁外部高度拔高，卡接并固定缓流底盘，并将缓流顶盘与底炉盘作为缓流底盘的外壳，完全包裹缓流底盘，保证密封效果，且将缓流顶盘与底炉盘的贴合面与气体的可能泄露面相交错设置，进一步增强缓流部的密封效果，从而避免缓流部内的工艺气体泄露。

可选的，相邻的所述缓流底环之间形成缓流槽，当所述缓流底环与所述缓流顶环抵接时，所述通气孔均分布在所述缓流槽的正上方。

通过采用上述技术方案，工艺气体在缓流部逐渐发散，经完全受热后至外圈的缓流槽内，直接从正对缓流槽的通气孔流出，若缓流槽与通气孔不正对设置，则可能导致气体持续在缓流槽内缓存，过度延长加热时间导致缓存气体过度加热，降低后方基碳产量。

可选的，所述通气孔的直径不大于所述缓流槽的槽宽。

通过采用上述技术方案，由于在化学气相沉积炉内，气体流动主要靠热发散，设计时应尽量避免障碍，所以槽宽与通气孔孔径保持相等使得气体无阻碍流出，进而保证加热后工艺气体的顺畅外排。

可选的，所述出气孔由多个出气粗孔与多个出气细孔组成；

多个所述出气粗孔以所述顶炉盘的圆心为圆心周向等间距分布；

多个所述出气细孔以每个所述出气粗孔的圆心为圆心周向等间距分布。

通过采用上述技术方案，利用出气细孔与出气粗孔的孔径将工艺气体的流速差异化，出气粗孔周向均匀分布，出气细孔围绕出气粗孔均匀分布，以出气粗孔为主要排出孔，出气细孔为辅助排出孔，将工艺气体分以出气粗孔为圆心的多个圆形区域，再将每个圆形区域内均匀分部的出气细孔二次均匀化区域内部的反应气体，保证化学物沉淀过程的均匀化。

可选的，每个所述出气孔的尺径均小于每个所述进气孔的尺径。

通过采用上述技术方案，保证前端进气流速始终高于出气流速，营造前后压强差，并利用出口端与进口端的压强差提供气体发散动力。

可选的，所述顶炉盘、所述底炉盘与所述缓流部的材质均由耐高温石墨组成。

通过采用上述技术方案，本方案中实用热辐射的气体加热方式，最高可加热至1200度，需使用耐热材料耐高温，而加热后的气体又能与碳材料发生化学气相反应，完成制备过程。

综上所述，本申请包括以下有益技术效果：

工艺气体在缓流通道内呈薄片状缓慢发散，以增加受热时间，同时达到炉内气体温度升高均匀的目的，而化学气相沉积炉工装的出气孔将气体区域化分散处理，并通过大小出气孔孔尺径的不同，将区域化的工艺气体二次均匀化处理，使流至炉体表层的碳/碳材料沉积密度均匀。

附图说明

图1是本申请实施例的整体结构示意图。

图2是本申请实施例的爆炸图。

图3是为凸显缓流顶盘底侧的缓流顶环而作的结构示意图。

图4是本申请实施例的剖视图。

附图标记说明：1、底炉盘；11、进气孔；2、缓流底盘；21、缓流底环；22、缓流口；3、缓流顶盘；31、通气孔；32、缓流顶环；4、顶炉盘；41、出气孔；411、出气粗孔；412、出气细孔。

具体实施方式

以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装。参照图1，一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装包括相抵接的顶炉盘4与底炉盘1，底炉盘1与顶炉盘4组成了化学气相沉积炉工装的壳体部分。

参照图2，底炉盘1上穿设有多个进气孔11，多个进气孔11分布在同一分布圆内，顶炉盘4上穿设有多个出气孔41，出气孔41由出气粗孔411与出气细孔412组成，多个出气粗孔411围绕顶炉盘4的圆心周向等间距分布在同一分布圆上，多个出气细孔412围绕每个出气粗孔411的圆心周向等间距分布在同一分布圆上。本实施例中以顶炉盘4的出气孔41为区域中心形成多片区域，从进气孔11进入的工艺气体受热后从出气孔41区域化平均流出，使工艺气体的化学沉积过程均匀化。

参照图2，顶炉盘4与底炉盘1之间安装有用于减缓气体流速的缓流部，缓流部由缓流顶盘3与缓流底盘2组成，缓流底盘2中心部分开设有缓流口22，供底炉盘1上方的工艺气体进入缓流部。

参照图2与图3，缓流底盘2与固接有多个半径不同的缓流底环21，多个缓流底环21同心波浪状分布，缓流口22的孔径与最小的缓流底环21的直径相等，相应地，该缓流底环21内壁作为通气孔31的侧壁；缓流顶盘3的底侧固接有多个半径不同的缓流顶环32，缓流顶环32的分布与缓流底环21的分布相似；缓流顶盘3的边缘处穿设有多个不同的通气孔31，通气孔31沿缓流顶盘3边缘周向等间距分布，通气孔31所在分布圆与缓流底环21同心设置。

参照图4，当缓流顶盘3与缓流底盘2安装为整体时，缓流底环21顶侧的高度低于缓流底盘2侧壁顶侧高度，缓流顶环32与缓流底环21相间分布，且缓流底环21与缓流顶环32之间设置有间隙，组成供工艺气体发散的缓流通道，同时，半径最大的缓流底环21与缓流底盘2侧壁之间的部分正对通气孔31，通气孔31直径相等于该缓流底环21外壁与缓流底盘2侧壁之间的间距。工艺气体在炉体工装内受热膨胀，从缓流口22发散进入缓流通道，并通过凹凸状互相耦合的缓流底环21与缓流顶环32朝出气孔41缓慢发散，至缓流底盘2侧壁处后，直接从均匀分布的通气孔31流出。

参照图4，顶炉盘4、底炉盘1、缓流顶盘3与缓流底盘2将化学气相沉积炉体工装分为三层，底炉盘1与缓流顶盘3的侧壁贴合面与缓流底盘2的两端端面交错开，将内部空间封闭，避免内部空气泄露。

本实施例中，对于顶炉盘4、底炉盘1、缓流顶盘3与缓流底盘2的材质做出具体要求，即耐高温石墨。

本申请实施例一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装的实施原理为：将底炉盘1、缓流底盘2、缓流顶盘3、顶炉盘4依次至于化学气相沉积炉内，开启加热炉，当化学气相沉积炉内温度达到工艺要求时通入工艺气体，工艺气体从底炉盘1的进气孔11进入并扩散至底炉盘1与缓流底盘2之间的腔体内部，并在其中缓冲暂存。

工艺气体从缓流口22进入缓流部，从缓流底环21与缓流顶环32之间的缝隙主补扩散至边缘处，在缓流部的发散途中，工艺气体逐渐受到热辐射，由于扩散时间的加长，工艺气体逐渐升温至理想温度，再经出气孔41将高温气体区域化排出，在石墨材料表面分解为碳、氢分子团，碳分子团逐渐下降、沉淀、增密，获得基碳。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装，包括底炉盘(1)、顶炉盘(4)、开设在底炉盘(1)上的多个进气孔(11)与开设在顶炉盘(4)上的多个出气孔(41)，其特征在于：还包括；

缓流部，所述缓流部设置在所述底炉盘(1)与所述顶炉盘(4)之间，用于放缓工艺气体的流速；

所述缓流部包括；

缓流底盘(2)与缓流顶盘(3)，所述缓流顶盘(3)抵接所述缓流底盘(2)，缓流底盘(2)的外壁与所述底炉盘(1)内壁贴合，相应地，底炉盘(1)侧壁阶梯状设置；

缓流口(22)，所述缓流口(22)穿设在所述缓流底盘(2)的中心，用于引导工艺气体进入所述缓流部；

缓流底环(21)，所述缓流底环(21)同轴不同径设置有多个，缓流底环(21)设置在所述缓流底盘(2)的顶侧，每两相邻缓流底环(21)之间的间距相等；

通气孔(31)，所述通气孔(31)靠近所述缓流底盘(2)边缘穿设，通气孔(31)周向等间距分布有多个；

缓流顶环(32)，所述缓流顶环(32)设置在所述缓流顶盘(3)的底侧，缓流顶环(32)同轴不同径设置有多个，且与所述缓流底环(21)相间分布，缓流顶环(32)与缓流底环(21)之间形成缓流通道。

2.根据权利要求1所述的一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装，其特征在于：所述缓流口(22)侧壁顶端与每个所述缓流底环(21)顶侧的高度相等。

3.根据权利要求1所述的一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装，其特征在于：所述缓流顶盘(3)侧壁呈阶梯状设置，且其半径与所述底炉盘(1)的半径相等，缓流顶盘(3)的侧壁与底炉盘(1)的侧壁贴合，贴合面与所述缓流底盘(2)的顶端面、底端面交错。

4.根据权利要求1所述的一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装，其特征在于：相邻的所述缓流底环(21)之间形成缓流槽，当所述缓流底环(21)与所述缓流顶环(32)抵接时，所述通气孔(31)均分布在所述缓流槽的正上方。

5.根据权利要求4所述的一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装，其特征在于：所述通气孔(31)的直径不大于所述缓流槽的槽宽。

6.根据权利要求1所述的一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装，其特征在于：所述出气孔(41)由多个出气粗孔(411)与多个出气细孔(412)组成；

多个所述出气粗孔(411)以所述顶炉盘(4)的圆心为圆心周向等间距分布；

多个所述出气细孔(412)以每个所述出气粗孔(411)的圆心为圆心周向等间距分布。

7.根据权利要求1所述的一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装，其特征在于：每个所述出气孔(41)的尺径均小于每个所述进气孔(11)的尺径。

8.根据权利要求1所述的一种可用于沉积碳的化学气相沉积炉工装，其特征在于：所述顶炉盘(4)、所述底炉盘(1)与所述缓流部的材质均由耐高温石墨组成。