沉积条件对低温各向同性热解炭微观结构的影响

摘要

由于低温各向同性热解碳(Low temperature isrtropic pyrocarbon, LTIC）具有较低的各向异性度、结构致密、晶粒尺寸小、性能均一，因而除具备一般炭材料耐高温、耐磨损等共性优点外，还具有强度高、优异的密封性和生物相容性等性能。目前，LTIC作为涂层材料广泛应用于临床医学。但是不同沉积工艺会导致具有不同结构LTIC材料的生成，不同的结构又决定了涂层材料具有的性能存在差异。因此，LTIC微观结构是联系工艺参数和材料性能的桥梁，是决定LTIC涂层质量、应用效能的关键。
　　因此，本文采用稳态流化床化学气相沉积(Fluidized bed chemical vapor deposition, FBCVD)工艺，选择了影响较大且直接可控的关键工艺参数，即沉积温度和碳源气体浓度，保持其他沉积参数固定，以不同浓度的丙烷为源物质，在1250～1450℃，制备得到LTIC涂层材料。利用常用表征手段X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和偏光显微镜（PLM）等对获得的LTIC材料的微观结构进行了表征，详细分析了LTIC内部结构单元。在初步表征基础上，研究了沉积温度和丙烷气体浓度对LTIC密度、断面形貌、织态结构的影响，分析了LTIC沉积条件的选择与控制。根据上述的分析结果，在总结、借鉴前人对热解炭形成机理的研究基础上，对化学气相沉积过程进行了分析，尝试讨论了LTIC的沉积机理，建立了LTIC的液滴沉积模型，并初步解释了沉积温度和丙烷气体浓度的影响。主要的研究内容和结果如下：
　　(1)分析表征了LTIC材料的微观结构。结果表明：沉积得到的LTIC涂层由直径小于2μm的类球形颗粒状炭结构无取向堆积、融并而成，颗粒内有排列比较规则的β-Sic和乱层结构PyC两种晶格条纹；LTIC与石墨基体之间由于基体表面的“记忆效应”存在一定厚度的类似生长锥结构的过渡层；类球形颗粒是石墨多晶内核-片层状壳结构，整体结构类似于“洋葱”状。
　　(2)研究了沉积温度和丙烷气体浓度对LTIC密度的影响。结果表明：沉积得到的LTIC密度从1.65 g/cm3到2.03 g/cm3不等，降低沉积温度或丙烷气体浓度均可提高LTIC的密度,相较于丙烷浓度，沉积温度对LTIC密度的影响更显著。
　　(3)研究了沉积温度和丙烷气体浓度对LTIC断面形貌的影响。结果表明：相较于沉积温度，丙烷气体浓度对LTIC断面形貌的影响更显著。随着沉积温度或丙烷气体浓度的升高，LTIC的颗粒之间的融并程度降低，融并范围缩小，颗粒的数量增多，类球形颗粒之间的堆积逐渐由均匀稠密的褶皱片层状结构变化为松散的“串状”，孔隙增多，致密度降低，类球形颗粒状形貌越来越明显，沉积过程由生长模式向成核模式过渡，形核率增大。
　　(4)研究了沉积温度和丙烷气体浓度对LTIC织态结构的影响。结果表明：随着沉积温度或丙烷气体浓度的升高，LTIC类球形颗粒内部的晶格条纹长度和弯曲度逐渐增加，取向逐渐变得紊乱，织构降低，芳香炭平面片层弯曲度的改变是热解炭织态结构发生变化的主要原因。
　　(5)分析了LTIC沉积温度和丙烷气体浓度的选择与控制。结果表明：密度越高，LTIC涂层越致密；形核率越高，LTIC各向同性程度越高。沉积温度或丙烷气体浓度过低不利于提高形核率，过高不利于增大密度。
　　(6)分析了LTIC的沉积过程特点和组织演化机制，建立了LTIC气相形核、融并、长大-液滴表面炭化的沉积模型，并尝试解释了沉积温度和丙烷气体浓度的影响。结果表明：沉积模式随沉积条件的改变决定了LTIC微观结构的改变，而这些变化与气相中形成的线性分子和小分子芳烃与稠环芳香烃的比值（R值）以及液滴的黏度随沉积温度或丙烷气体浓度改变有关。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热解炭材料的化学气相沉积（CVD）

1.3 热解炭材料的微观结构

1.4 热解炭材料的沉积机理

1.5 选题的目的与意义

1.6 本文的主要研究内容

第2章 样品制备与实验方法

2.1 引言

2.2 热解炭涂层制备

2.3 样品的检测与分析

第3章 沉积条件对LTIC形貌的影响

3.1 引言

3.2 LTIC的微观组织结构

3.3 LTIC类球形颗粒的内部结构

3.4 LTIC的密度分布

3.5沉积条件对LTIC断面形貌的影响

3.6本章小结

第4章 沉积条件对LTIC织构的影响

4.1 引言

4.2 沉积条件对LTIC织构的影响

4.3 沉积条件对LTIC微观结构的影响

4.4 本章小结

第5章 低温各向同性热解炭的沉积机理

5.1 引言

5.2 CVD中气相反应

5.3 化学气相沉积中的表面反应

5.4 LTIC的沉积机理

5.5 沉积温度和丙烷气体浓度的影响

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录