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了解碳碳復(fù)合材料加工方法之一 ——化學(xué)氣相沉積法

    CVD 工藝是最早采用的一種 C/C 復(fù)合材料致密化工藝， 其過程為把 CF 坯體放入專用 CVD 爐中， 加熱至所要求的溫度， 通入碳?xì)錃怏w， 這些氣體分解并在坯體
內(nèi) CF 周圍空隙中沉積碳。

(1) 基本原理

   碳?xì)錃怏w(如 CH4、 C2H6、 C3H3、 C2H4) 等受熱時， 形成若干活性基， 活性基與CF 表面接觸時， 就沉積出碳。 CVD 法的優(yōu)點是工藝簡單， 坯體的開口孔隙很多， 增密的程度便于精確控制，
易于獲得性能良好的 C/C 復(fù)合材料。 缺點是制備周期太長， 生產(chǎn)效率很低。

(2) CVD C/C 復(fù)合材料的基本方法

CVD 法包括等溫法、 熱梯度法、 壓差法、 脈沖法、 等離子體輔助 CVD 法。

①等溫法: 即將坯體放在等溫的空間里， 在適當(dāng)?shù)膲毫ο拢?讓碳?xì)錃怏w不斷地從坯體表面流過， 靠氣體的擴(kuò)散作用， 反應(yīng)氣體進(jìn)入樣品孔隙內(nèi)進(jìn)行沉積， 該法特點是工藝簡單， 但周期很長， 制品易產(chǎn)生表面涂層， 最終密度不高。

②熱梯度法: 在坯體內(nèi)外表面形成一定溫度差， 讓碳?xì)錃怏w在坯體低溫表面流過， 同樣， 也是依靠氣體擴(kuò)散作用， 反應(yīng)氣體擴(kuò)散進(jìn)孔隙內(nèi)進(jìn)行沉積， 由于反應(yīng)氣體首先接觸的是低溫表面， 因此， 大量的沉積發(fā)生在樣品里側(cè)， 表面很少沉積或不沉積， 隨著沉積過程的進(jìn)行， 坯體里側(cè)被致密化， 內(nèi)外表面溫差越來越小，沉積帶逐漸外移， 最終得到從里至外完全致密的制品。 此法周期較短， 制品密度較高， 存在的問題是重復(fù)性差， 不能在同一時間內(nèi)沉積不同坯體和多個坯體， 坯體的形狀也不能太復(fù)雜。

③壓差法: 壓差法是均熱法的一種變化， 是在沿坯體厚度方向上造成的一定的氣體壓力差， 反應(yīng)氣體被強(qiáng)行通過多孔坯體。 此法沉積速度快， 沉積滲透時間較短， 沉積的碳均勻， 制品不易形成表面涂層。

④脈沖法: 此法是一種改進(jìn)了的均熱法， 在沉積過程中， 利用脈沖閥交替地充氣和抽真空， 抽真空過程有利于氣體反應(yīng)產(chǎn)物的排除。 由于脈沖法能增加滲透深度， 故適合于 C/C 復(fù)合材料后期致密化。

⑤等離子體輔助CVD法(PACVD) : 在常規(guī)的CVD技術(shù)中需要用外加熱使初始反應(yīng)的碳?xì)錃怏w分解， 而在PACVD技術(shù)中是利用等離子體中電子的動能去激發(fā)氣相化學(xué)反應(yīng)。 PACVD的輝光放電等離子體是施加高頻電場電離的低壓和低溫氣體。等離子體的電離狀態(tài)是由其中高能電子以某種方式來維持的， 施加電場時， 由于電子質(zhì)量輕， 所以傳遞電子的能量高， 同時由于等離子體中電子與離子質(zhì)量的差別， 限制了電子將能量傳遞給離子， 結(jié)果電子的動能被迅速增加到能發(fā)生非彈性碰撞的程度， 此時高能電子引起電離， 并通過與碳?xì)錃怏w分子的相互作用而形成自由基， 自由基在坯體里聚合形成沉積碳。 由于等離子體有較高的能量， 所以在相當(dāng)?shù)偷臏囟?典型值低于300℃) 激發(fā)化學(xué)反應(yīng)， 與此同時由于其非平衡性， 等離子體不會加熱碳?xì)錃怏w和坯體。 但PACVD與常規(guī)的CVD化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)原理不同， 形成的沉積碳結(jié)構(gòu)差別很大。更多碳碳復(fù)合材料信息可查看http://www.2333666.cn