氯化物化学气相沉积法制备立方碳化硅涂层

摘要

立方碳化硅（-SiC）陶瓷涂层材料在面对聚变反应中高温等离子体载荷、高通量中子辐射、强物理化学溅射作用时呈现出优异的抗辐照损伤性能，在高温耐辐射损伤核聚变堆材料体系中具有非常广阔的应用前景。为解决核能安全性、可靠性问题提供新选择，本研究采用氯化物化学气相沉积（CVD）技术，通过对各项沉积工艺参数的调控和优化，以实现快速制备化学计量比均一、择优取向和显微结构可控、毫米级厚度-SiC涂层为目标，为其在聚变堆第一壁涂层材料中的应用提供相应的理论基础。 本论文重点研究了CVD沉积温度Tdep、反应室压力Ptot、碳/硅摩尔比RC/Si、碳源种类对SiC择优取向、显微结构、结晶性、沉积速率Rdep的影响规律，并分别确定了影响上述结果的关键因素；且分析了纤维择优取向SiC的形成机制，建立择优取向与其显微结构间的客观联系。 SiC的择优取向主要受Tdep和Ptot影响，在高Tdep低Ptot条件下易获得<110>择优取向，相反，则易形成<111>择优取向，而RC/Si和碳源种类对择优取向的影响则较小。SiC的显微结构的控制因素与择优取向相同，随Tdep的升高，SiC显微结构由平整致密结构逐渐变化为菜花状等轴组织结构，最后形成屋顶状柱状组织结构；降低Ptot会形成非致密晶须状结构，提高RC/Si有利于由细柱状晶组织发展为粗柱状晶屋顶或山脊状结构。SiC涂层的结晶性随Tdep的升高而提高，在Ptot=4 kPa时获得SiC结晶性较好，最适合生长化学计量比均一、缺陷浓度小的SiC的RC/Si一般在0.86至1.00区间，过低或过高的RC/Si会提高SiC涂层中的缺陷浓度；C2H2为碳源时适合在高Tdep下生长结晶性良好的<110>择优取向SiC，而CH4和C3H8为碳源时则适合用于低Tdep下生长结晶性良好的<111>择优取向SiC。SiC涂层的Rdep与Tdep之间符合Arrhenius方程形式，当Tdep≤1723 K，此时SiC生长受气相化学反应控制（CRR），Rdep随Tdep升高呈指数形式快速增大；当Tdep升至1723~1773 K以上时，转变为表面扩散控制机制（MTR），Rdep增长速率变缓，当RC/Si≥0.86时甚至出现由于刻蚀速率加快而导致Rdep降低的现象。具体地，在Ptot=4 kPa，0.86≤RC/Si≤1.00时，SiC涂层的Rdep可达200~1227?m h-1（1673≤Tdep≤1773 K）。 <110>择优取向的SiC与<111>择优取向相比具有更高的形成速率和更粗糙的表面显微结构，其原因可能有：依据Langmuir吸附理论模型，(110)面能提供更大的原子粘附概率，具有更低的表面形成能，且能提供更多的孪晶凹角生长理论（TPRE）孪晶凹角生长位点；一般而言，由反转畴而形成六棱锥结构是<111>择优取向晶粒的典型特征，而<110>择优取向的SiC则主要呈现出四棱锥或由其堆叠而成的山脊状结构。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 立方碳化硅陶瓷材料

1.3 立方碳化硅涂层的研究现状

1.4 论文工作的提出与主要研究内容

第2章 涂层的制备与表征

2.1 化学气相沉积设备及原理

2.2 实验设计与工艺

2.3 测试与表征方法

第3章 化学气相沉积制备SiC涂层

3.1 择优取向

3.2 显微结构

3.3 结晶性

3.4 沉积速率

3.5 本章小结

第4章 SiC涂层生长机理研究

4.1 择优取向的形成机制

4.2 显微结构及缺陷的形成机制

4.3 择优取向与显微结构间的联系

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表相关科研成果

致谢