專利名稱：一種實(shí)時(shí)測量并控制增重速率的化學(xué)氣相沉積裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)氣相沉積裝置及方法，尤其是涉及一種能夠?qū)崟r(shí)測量并 控制多孔碳預(yù)制體增重速率的化學(xué)氣相沉積裝置，適合于碳/碳復(fù)合材料或者碳/ 碳化硅復(fù)合材料在化學(xué)氣相沉積或滲透過程的增重率和增重速率的檢測，并可對 沉積或滲透過程進(jìn)行控制。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積和化學(xué)氣相滲透是半導(dǎo)體以及航空航天工業(yè)中用來沉積多種 材料的技術(shù)，包括金屬材料、非金屬材料以及復(fù)合材料。碳/碳化硅陶瓷基復(fù)合 材料密度低、抗氧化性能好、耐腐蝕，具有突出的力學(xué)性能和熱物理性能，作為 熱結(jié)構(gòu)材料在航空航天具有廣泛的應(yīng)用。碳/碳復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度，高比 模量，高熔點(diǎn)，高比熱容，高導(dǎo)熱性，低熱膨脹系數(shù)，低密度，相對較低的磨損 率以及耐熱沖擊等獨(dú)特的性能也廣泛用于航天航空領(lǐng)域，全世界每年有70%的碳 /碳復(fù)合材料用作飛機(jī)剎車盤。碳/碳化硅復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料等主要采用化 學(xué)氣相沉積法或化學(xué)氣相滲透法制備。目前，在碳/碳或者碳/碳化硅復(fù)合材料的研制與丌發(fā)中以等溫等01的化學(xué)氣 相沉積或滲透工藝為最優(yōu)，該工藝能很好地控制工藝參數(shù)，特別是對于裝了大量異形件的高爐膛，所沉積的樣件不僅密度均勻而a性能穩(wěn)定。由于化學(xué)氣相沉積 及滲透的工藝周期較長，沉積過程經(jīng)常要幾天甚至幾個(gè)月。盡管工藝周期較長， 但在實(shí)際生產(chǎn)中可以通過在大型爐膛中放置多件碳纖維預(yù)制件來降低成本。然 而，在長時(shí)間沉積過程中，碳纖維或者碳?xì)侄嗫最A(yù)制體到底增重了多少，或者增 重速率是否受到參數(shù)以及沉積過程的影響都無法實(shí)時(shí)得知。一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)沉積或 滲透一定時(shí)間后打開爐膛，取出多孔碳預(yù)制體進(jìn)行稱重，計(jì)算沉積增重率或增重速率。但是化學(xué)氣相沉積從高溫降到室溫需要10 24小時(shí)，在長周期的制備過程 中不僅浪費(fèi)了沉積和滲透時(shí)間，而且增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)效率，提高了生產(chǎn)成本。另外， 一旦工藝過程發(fā)生變化，或者漏氣或者發(fā)生瓶頸效應(yīng)無 法實(shí)時(shí)知曉，待沉積一段時(shí)間打開爐子后才知道，構(gòu)件可能已經(jīng)嚴(yán)重氧化或者性 質(zhì)發(fā)生改變。加之化學(xué)氣相沉積或滲透時(shí)間長，耗電量耗氣量大，從而造成嚴(yán)重 的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)崟r(shí)測量并控制多孔碳預(yù)制體增 重速率的化學(xué)氣相沉積裝置，其特征在于包括一套化學(xué)氣相沉積爐、 一套電子地 中衡和一套工控機(jī)所構(gòu)成的系統(tǒng)。電子地中衡安置在平直的水泥地上或地下，化 學(xué)氣相沉積爐反應(yīng)室放置在電子地中衡承重面上。電子地中衡與工控機(jī)之間通過 數(shù)據(jù)線相連接，工控機(jī)顯示器上能實(shí)時(shí)顯示電子地中衡稱量的重量和重量變化率 等數(shù)據(jù)和曲線。優(yōu)先選擇將化學(xué)氣相沉積爐的供氣、供電、供水以及升降溫程序 全部或部分控制環(huán)節(jié)與工控機(jī)相連，并將地中衡測量與沉積工藝過程集成。本發(fā)明的特征在于將電子地中衡數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)焦た貦C(jī)上，通過軟件顯示多 孔碳預(yù)制體的重量、增重率和增重速率。本發(fā)明的特點(diǎn)在于化學(xué)氣相沉積爐爐體連接的進(jìn)氣管、出氣管、冷卻水管進(jìn) 行防震動(dòng)處理，優(yōu)先選用軟連接。本發(fā)明的特征在于電子地中衡量程精度根據(jù)化學(xué)氣相沉積爐的重量以及爐 內(nèi)裝載材料的重量確定。在滿足精度和量程的條件下優(yōu)先選用一臺電子地中衡， 在滿足精度而不滿足量程的條件，可選用2 4個(gè)電子地中衡。所有電子地中衡 稱量之和為化學(xué)氣相沉積爐及其內(nèi)置材料的總重量。當(dāng)選用一臺電子地中衡時(shí)， 化學(xué)氣相沉積爐放置在該電子地中衡的中心，當(dāng)選用2 4個(gè)電子地中衡時(shí)，化 學(xué)氣相沉積爐的重量要均勻分布在每一個(gè)電子地中衡上。本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是提供一種多孔碳預(yù)制體在化學(xué)氣相沉積過 程中增重率和速率的實(shí)時(shí)測量和控制方法，其特征在于建立好稱重裝置以后，先 進(jìn)行稱重曲線矯正。在通入反應(yīng)氣體、循環(huán)水以及正常工作條件下，在爐體頂端 或地中衡中心放置不同的標(biāo)準(zhǔn)配重，獲得實(shí)際重量與電子地中衡顯示重量之間的對應(yīng)關(guān)系曲線。將對應(yīng)關(guān)系曲線輸入工控機(jī)軟件，進(jìn)行稱量矯正。本發(fā)明的特征在于實(shí)際沉積或滲透過程中，多孔碳預(yù)制體預(yù)先稱量重量，放 入爐中后，正?；瘜W(xué)氣相沉積過程丌始，此時(shí)電子地中衡顯示重量為初始重量， 在持續(xù)的沉積過程中電子地中衡顯示的重量減去初始重量即為多孔碳預(yù)制體的 增加重量，用增加的重量除以多孔碳預(yù)制體的凈重即為多孔碳預(yù)制體的增重率， 用該增重率除以沉積時(shí)間即為增重速率。本發(fā)明的特征在于對多孔碳預(yù)制體的致密化過程的增重速率的測量，優(yōu)先選 擇碳纖維編織件、碳纖維針刺件、碳纖維編織結(jié)合針刺件、碳?xì)?、浸漬有樹脂碳 的短切碳纖維編織件、模壓件、碳化硅纖維編織件、短切碳化硅纖維模壓件、碳 化硅晶須模壓件等。本發(fā)明的特征在于采用丙烯、甲烷、天然氣、或沼氣等含碳元素氣體高溫反 應(yīng)分解在多孔預(yù)制體中沉積碳材料致密化過程的增重速率的測量；采用三氯甲基 硅垸、二氯甲基硅烷、--氯甲級硅烷、四氯化硅和甲烷等氣體高溫反應(yīng)分解在多 孔碳預(yù)制體中沉積碳化硅材料致密化過程的增重速率的測量。本發(fā)明的特點(diǎn)在于適用于碳/碳復(fù)合材料和碳/碳化硅復(fù)合材料的化學(xué)氣相沉 積過程增重速率的測量，尤其適用于單晶硅多晶硅熔煉爐碳/碳復(fù)合材料坩堝及 其熱場材料、飛機(jī)用碳/碳復(fù)合材料剎車盤、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用碳/碳復(fù)合材料噴管、 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用碳/碳化硅復(fù)合材料噴管以及碳/碳-碳化硅復(fù)合材料噴管。還適合多 孔碳預(yù)制體或半成品中的定量碳、碳化硅沉積。本發(fā)明的特點(diǎn)在于通過增重速率對沉積過程進(jìn)行智能控制，當(dāng)增重率、增重 速率達(dá)到預(yù)定值或發(fā)生改變時(shí)，化學(xué)氣相沉積爐的升溫送氣程序自動(dòng)發(fā)生變化。 尤其是在定量沉積過程中，當(dāng)增重率達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，表明沉積或滲透過程完成， 自動(dòng)停氣停電降溫；在沉積速率過低時(shí)，自動(dòng)增加反應(yīng)氣體流量，反之在沉積速 率過高時(shí)，自動(dòng)減少反應(yīng)氣體流量；在制備碳/碳復(fù)合材料過程中，當(dāng)增重速率顯著降低時(shí)，表明發(fā)生瓶頸效應(yīng)，自動(dòng)停氣，升溫到2000。C以上或設(shè)定更高溫度進(jìn)行熱解處理。高溫處理過程中，當(dāng)增重率下降時(shí)，自動(dòng)降溫到沉積或滲透溫度，并重新恢復(fù)供氣。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)能夠?qū)崟r(shí)測量增重率和增重速率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常， 從而能夠適時(shí)調(diào)整沉積的參數(shù)，更好地進(jìn)行沉積或滲透；(2)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)沉積 速率下降情況，從而判斷發(fā)生瓶頸效應(yīng)，在碳元素的沉積中則可以通過高溫處理 進(jìn)行消除，而在碳化硅沉積中則需要停爐加工；(3)在程序中設(shè)置增重率，當(dāng)沉 積的產(chǎn)物增重率達(dá)到設(shè)置值時(shí)自動(dòng)停氣停電降溫，從而能夠自動(dòng)識別沉積是否完 成；(4)避免了傳統(tǒng)沉積過程每隔一定時(shí)間就要停爐取出試樣稱重的環(huán)節(jié)，從而 節(jié)約了時(shí)間提高了效率；(5)避免了傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積或滲透碳元素過程中爐體 漏氣而無法及時(shí)檢測從而造成產(chǎn)品氧化的問題，爐體一旦漏氣將使碳發(fā)生氧化從 而導(dǎo)致增重速率減緩或停止，排除瓶頸效應(yīng)后即表明爐體發(fā)生漏氣；(6)記錄了 大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠更好地研究反應(yīng)的原理，更好地了解參數(shù)對生產(chǎn)工藝的影 響，從而優(yōu)化氣相沉積或滲透工藝參數(shù)；(7)依據(jù)沉積速率的變化自動(dòng)識別判斷 沉積或滲透過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)特征，并對供水、供氣、供電、升降溫程序等進(jìn) 行相應(yīng)調(diào)整，達(dá)到智能控制。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 實(shí)施例1小型化學(xué)氣相沉積爐放置在一臺電子地中衡上，電子地中衡表面與實(shí)驗(yàn)室房 間地面平齊。爐體冷卻水管采用塑料水管；爐體進(jìn)氣管采用塑料管，要求在抽真 空條件下不發(fā)生變形；爐體出氣管采用不銹鋼軟管；電源采用活動(dòng)接線連接。將 電子地中衡與工控機(jī)通過數(shù)據(jù)線相連。在通入冷卻水、反應(yīng)氣體條件下稱量爐體 初始重量。將若干三維四向編織的碳纖維火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管放入沉積爐進(jìn)行碳化硅 滲透，預(yù)先稱量碳纖維預(yù)制體重量作為凈重，通過工控機(jī)監(jiān)控增重速率，當(dāng)增重 速率嚴(yán)重下降時(shí)，表明復(fù)合材料表面發(fā)生瓶頸效應(yīng)。停電停氣降溫后，取出火箭 發(fā)動(dòng)機(jī)噴管進(jìn)行表面加工，將表面涂層加工去除，然后再次放入化學(xué)氣相沉積爐 進(jìn)行沉積。這種方法主要監(jiān)控增重速率的變化，以掌握化學(xué)氣相滲透的進(jìn)程，及時(shí)進(jìn)行表面處理。 實(shí)施例2中型化學(xué)氣相沉積爐放置在兩臺電子地中衡上，兩臺電子地中衡表面保持在 同一水平線，并且承擔(dān)重量基本一致。爐體冷卻水管采用塑料水管；爐體進(jìn)氣管 采用塑料管，要求在抽真空條件下不發(fā)生變形；爐體出氣管采用不銹鋼軟管；電 源采用活動(dòng)接線連接。將電子地中衡與工控機(jī)通過數(shù)據(jù)線相連，其中工控機(jī)中程 序進(jìn)行矯正，顯示器顯示重量為兩個(gè)電子地中衡分別承重之和。在通入冷卻水、 反應(yīng)氣體條件下稱量爐體初始重量。在通入反應(yīng)氣體、循環(huán)水以及正常工作條件 下，在爐體頂端或每個(gè)地中衡中心位置放置標(biāo)準(zhǔn)配重，獲得實(shí)際重量與電子地中 衡顯示重量之間的對應(yīng)關(guān)系曲線，并將對應(yīng)關(guān)系曲線輸入工控機(jī)軟件，進(jìn)行稱量 矯正。選用浸漬樹脂并熱解后的碳/碳復(fù)合材料半成品構(gòu)件放入沉積爐進(jìn)行碳化 硅定量滲透沉積。設(shè)置工控機(jī)程序，當(dāng)沉積增重率達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)停氣停電。沉 積過程中，碳/碳復(fù)合材料半成品預(yù)先稱量重量，放入爐中后，進(jìn)入正常化學(xué)氣 相沉積過程，此時(shí)計(jì)為凈重，在持續(xù)的沉積過程中電子地中衡顯示的重量減去凈 重即為碳/碳復(fù)合材料半成品的增加重量，用增加的重量除以碳/碳復(fù)合材料半成 品的凈重即為多孔碳預(yù)制體的增重率。根據(jù)程序設(shè)置，達(dá)到一定增重率后停電停 氣。這種方法主要監(jiān)控增重率，適用于進(jìn)行交替沉積碳化硅、碳，或化學(xué)氣相沉 積與樹脂浸漬熱解交替進(jìn)行，對沉積重量有一定要求的材料制備過程。實(shí)施例3大型化學(xué)氣相沉積爐放置在四臺電子地中衡上，四臺電子地中衡表面保持在 同一水平線，爐體下均布四個(gè)支架，每個(gè)支架落于電子地中衡的中心位置，每個(gè) 電子地中衡承擔(dān)重量基本一致。爐體冷卻水管采用塑料水管；爐體進(jìn)氣管采用塑 料管，要求在抽真空條件下不發(fā)生變形；爐體出氣管采用不銹鋼軟管；電源采用 活動(dòng)接線連接。將電子地中衡與工控機(jī)通過數(shù)據(jù)線相連，其中工控機(jī)中程序進(jìn)行 矯正，顯示器顯示重量為四個(gè)電子地中衡分別承重之和。在通入冷卻水、反應(yīng)氣 體條件下稱量爐體初始重量。在通入反應(yīng)氣體、循環(huán)水以及正常工作條件下，在爐體頂端或每個(gè)地中衡中心放置標(biāo)準(zhǔn)配重，獲得實(shí)際重量與電子地中衡顯示重量 之間的對應(yīng)關(guān)系曲線，并將對應(yīng)關(guān)系曲線輸入工控機(jī)軟件，進(jìn)行稱量矯正。選用 由碳纖維無緯布針刺而成的毛坯多塊，放入化學(xué)氣相沉積爐中，碳源氣為天然氣， 開始沉積時(shí)工控機(jī)顯示沉積速率恒定。當(dāng)沉積速率減小時(shí)，停止供應(yīng)氣體，反應(yīng) 室升至200(TC以上進(jìn)行高溫處理，再降溫至正常沉積溫度繼續(xù)通入反應(yīng)氣體。 此時(shí)工控機(jī)顯示一個(gè)新的沉積速率，當(dāng)沉積速率再次減少時(shí)，重復(fù)上述停氣升溫 過程。經(jīng)過多次反復(fù)后獲得致密的碳/碳復(fù)合材料剎車盤構(gòu)件。這種方法主要監(jiān) 控增重速率的變化，具有智能化特點(diǎn)，適應(yīng)于一次性完成產(chǎn)品的致密化過程，無 需多次開爐或人工調(diào)整工藝參數(shù)。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明提供一種實(shí)時(shí)測量并控制多孔碳預(yù)制體增重速率的化學(xué)氣相沉積裝置，其特征在于包括一套化學(xué)氣相沉積爐、一套電子地中衡和一套工控機(jī)所構(gòu)成的系統(tǒng)。電子地中衡安置在平直的水泥地上或地下，化學(xué)氣相沉積爐反應(yīng)室放置在電子地中衡承重面上。電子地中衡與工控機(jī)之間通過數(shù)據(jù)線相連接，工控機(jī)顯示器上能實(shí)時(shí)顯示電子地中衡稱量的重量和重量變化率等數(shù)據(jù)和曲線。優(yōu)先選擇將化學(xué)氣相沉積爐的供氣、供電、供水以及升降溫程序全部或部分控制環(huán)節(jié)與工控機(jī)相連，并將地中衡測量與沉積或滲透工藝過程集成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于將電子地中衡數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)焦た?機(jī)上，通過軟件顯示多孔碳預(yù)制體的重量、增重率和增重速率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特點(diǎn)在于化學(xué)氣相沉積爐爐體連接的進(jìn)氣 管、出氣管、冷卻水管進(jìn)行防震動(dòng)處理，優(yōu)先選用軟連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于電子地中衡量程精度根據(jù)化學(xué)氣相 沉積爐的重量以及爐內(nèi)裝載材料的重量確定。在滿足精度和量程的條件下優(yōu)先選 用一臺電子地中衡，在滿足精度而不滿足量程的條件，可選用2 4個(gè)電子地中 衡。所有電子地中衡稱量之和為化學(xué)氣相沉積爐及其內(nèi)置材料的總重量。當(dāng)選用 一臺電子地中衡時(shí)，化學(xué)氣相沉積爐放置在該電子地中衡的中心，當(dāng)選用2 4 個(gè)電子地中衡時(shí)，化學(xué)氣相沉積爐的重量要均勻分布在每一個(gè)電子地中衡上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，本發(fā)明還提供一種多孔碳預(yù)制體在化學(xué)氣相 沉積或滲透過程中增重速率的實(shí)時(shí)測量和控制方法，其特征在于建立好稱重裝置 以后，先進(jìn)行稱重曲線矯正。在通入反應(yīng)氣體、循環(huán)水以及TF常工作條件下，在 爐體頂端或地中衡中心放置不同的標(biāo)準(zhǔn)配重，獲得實(shí)際重量與電子地中衡顯示重 量之間的對應(yīng)關(guān)系曲線。將對應(yīng)關(guān)系曲線輸入工控機(jī)軟件，進(jìn)行稱量矯IH。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述方法，其特征在于實(shí)際沉積過程中，多孔碳預(yù)制體 預(yù)先稱量重量，放入爐中后，正?；瘜W(xué)氣相沉積過程丌始，此時(shí)電子地中衡顯示 重量為初始重量，在持續(xù)的沉積過程中電子地中衡顯示的重量減去初始重量即為 多孔碳預(yù)制體的增加重量，用增加的重量除以多孔碳預(yù)制體的凈重即為多孔碳預(yù)制體的增重率，用該增重率除以沉積時(shí)間即為增重速率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1 5所述方法，其特征在于對多孔碳預(yù)制體的致密化過程 的增重速率的測量，優(yōu)先選擇碳纖維編織件、碳纖維針刺件、碳纖維編織結(jié)合針 刺件、碳?xì)?、浸漬有樹脂碳的短切碳纖維編織件、模壓件、碳化硅纖維編織件、 短切碳化硅纖維模壓件、碳化硅晶須模壓件等。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1 5所述方法，其特征在于采用丙烯、甲烷、天然氣、或 沼氣等含碳元素氣體高溫反應(yīng)分解在多孔預(yù)制體中沉積或滲透碳材料致密化過 程的增重速率的測量；采用三氯甲基硅烷、二氯甲基硅烷、 一氯甲級硅烷、四氯 化硅和甲烷等氣體高溫反應(yīng)分解在多孔碳預(yù)制體中沉積或滲透碳化硅材料致密 化過程的增重速率的測量。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1 5所述方法，其特征在于適用于碳/碳復(fù)合材料和碳/ 碳化硅復(fù)合材料的化學(xué)氣相沉積或滲透過程增重速率的測量，尤其適用于單品硅 多品硅熔煉爐碳/碳復(fù)合材料坩堝及其熱場材料、飛機(jī)用碳/碳復(fù)合材料剎車盤、 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用碳/碳復(fù)合材料噴管、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用碳/碳化硅復(fù)合材料噴管以及碳 /碳-碳化硅復(fù)合材料噴管。還適合多孔碳預(yù)制體或半成品中的定量碳、碳化硅沉 積。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1 5所述方法，其特征在于通過增重速率對沉積過程進(jìn) 行智能控制，當(dāng)增重率、增重速率達(dá)到預(yù)定值或發(fā)生改變時(shí)，化學(xué)氣相沉積爐的 升溫送氣程序自動(dòng)發(fā)生變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種化學(xué)氣相沉積裝置及方法，尤其是涉及一種能夠?qū)崟r(shí)測量并控制多孔碳預(yù)制體增重率和增重速率的化學(xué)氣相沉積裝置及方法，適合于碳/碳復(fù)合材料或者碳/碳化硅復(fù)合材料在化學(xué)氣相沉積過程的增重率和增重速率的檢測，并可對沉積或滲透過程進(jìn)行控制。其特征在于包括一套化學(xué)氣相沉積爐、一套電子地中衡和一套工控機(jī)所構(gòu)成的系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)能夠?qū)崟r(shí)測量增重率和增重速率；(2)能夠自動(dòng)識別沉積是否完成；(3)節(jié)約時(shí)間提高效率；(4)優(yōu)化化學(xué)氣相沉積工藝參數(shù)；(5)依據(jù)沉積速率的變化自動(dòng)識別判斷沉積過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)特征，并對供水、供氣、供電、升降溫程序等進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，達(dá)到智能控制。
文檔編號C23C16/52GK101235493SQ200710135598
公開日2008年8月6日 申請日期2007年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月16日
發(fā)明者萬水城, 波 嚴(yán), 吳王平, 穎 張, 涵 承, 聃 方, 聰 李, 王亮兵, 陳照峰 申請人:南京航空航天大學(xué)