一种快速制备碳／碳复合材料坩埚的窄流感应耦合CVD 致密化方法

摘要

本发明涉及一种快速制备碳／碳复合材料坩埚的窄流感应耦合CVD致密化方法。该方法包括采用化学气相沉积工艺，在窄缝气流和感应耦合的协同作用下，高温反应室通入小分子烃和N2气混合气体，小分子烃在碳纤维坩埚预制体或低密度碳／碳复合材料坩埚坯体内部孔壁表面吸附并高温释放出热解碳，热解碳在热态碳纤维表面沉积，坯体密度不断提高，快速获得致密的碳／碳复合材料坩埚。本发明方法窄缝气流和感应耦合措施的协同作用下，有效抑制表面先结壳现象，允许采用较高的沉积温度和反应气体炉压，更快速的内外均衡致密化，提高质量、缩短周期、降低成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速制备碳／碳复合材料坩埚的窄流感应耦合CVD致密化方法，属于化学气相沉积领域。 

技术背景

碳纤维增强碳基复合材料（简称碳/碳，C/C）是以碳或石墨纤维为增强体，碳或石墨为基体复合而成的材料。它具有耐高温、导热性好、抗热冲击、烧蚀率低、高温下高强度、一定的化学惰性等特殊性能，是理想的高温结构、高温摩擦、高温导电发热以及抗烧蚀材料。近年来，随着碳纤维原材料及生产制造成本的降低，C/C复合材料的应用正在由航空航天领域逐渐进入工业领域，广泛取代其它材料。高科技产业的需求使它在工业领域的应用迅速发展，已广泛应用于半导体工业、冶金、化工、原子能工业和生物工程等领域。 

C/C致密化工艺过程就是基体碳形成过程，是用高质量的碳填满纤维周围空隙，以获得结构、性能优良的C/C复合材料。常用的有两种工艺：化学气相沉积（简称CVD）和液相浸渍法（简称PIP）。用化学气相沉积法形成碳基体的先驱体有甲烷、丙烯、天然气等；用于液相浸渍的物质有热固性树脂，酚醛树脂、糠醛树脂等，及热塑性沥青，如煤沥青、石油沥青。近年来还有将化学气相渗透与树脂浸渍结合炭化致密制备炭/炭坩埚的报道，参见CN1907914A(CN200610043186.4)涉及一种热场炭/炭坩埚的制备方法，该方法采用针刺炭布准三向结构预制体；通过化学气相沉积和糠酮树脂浸渍炭化以及热等静压沥青浸渍炭化相结合的致密工艺，反复致密处理数次，制品密度≥1.83g/cm³时致密工艺结束，在通入氯气和氟利昂的条件下对制品进行高温纯化处理，机械加工后即可制得单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚。用作单晶硅拉制炉热场炭/炭坩埚，提高炭/炭坩埚的强度。 

现有的致密化方法中，采用CVD工艺制备C/C复合材料，具有耐高温、机械性能优异、化学性质稳定、不污染高纯半导体物料等突出优点。化学气相沉积（CVD）工艺是最早采用的一种C/C复合技术，把碳纤维织物预制坯体放入专用CVD炉中，加热至所需温度，通入碳氢气体，这些气体分解并沉积在碳纤维织物周围和空隙中沉积碳。控制的主要参数有碳源气体种类、流量、沉积温度、压力和时间。沉积温度一般为800～1500℃，沉积压力为0.1MPa至几千Pa。CVD沉积方法有等温法、温差法、压差法、脉冲压力法以及等离子体强化法。但是，现有的CVD技术存在致密化效率较低、制备周期较长的不足，或者单炉只能处理单件产品，导致制造成本居高不下，限制了CVD在制备碳／碳复合材料时的大规模应用，特别是在制备单晶硅拉制、多晶硅提纯熔炼和铸锭用碳／碳复合材料坩埚时的应用。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的是提供一种快速制备碳／碳复合材料坩埚的窄流感应耦合CVD致密化方法。 

术语说明： 

碳/碳复合材料坩埚，是在按坩埚形状成型的碳纤维立体织物预制体孔隙中采用化学气相沉积（即CVD工艺）或/和液相浸渍工艺（即PIP工艺）填充碳基体而得的碳纤维增强碳基复合材料构件。 

化学气相沉积工艺（CVD），是把碳纤维立体织物预制体放入专用CVD炉中，加热至所需温度，通入碳氢气体，这些气体分解形成热解碳并沉积在碳纤维织物周围和空隙中，从而实现致密化，获得碳/碳复合材料。 

碳纤维坩埚预制体：是按坩埚形状成型的碳纤维立体织物预制体。 

本发明的技术方案如下： 

一种快速制备碳／碳复合材料坩埚的窄流感应耦合CVD致密化方法，包括步骤如下： 

（1）装炉 

将碳纤维坩埚预制体套合在感应耦合工装上，再罩上气流工装，置于真空感应化学气相沉积炉的反应室内，所述预制体与感应耦合工装、气流工装相适配，以形成气体窄缝流动通道和感应电磁耦合； 

（2）预热 

关闭化学气相沉积炉炉盖，升温抽真空，当温度达到800～1500℃时，真空度为100～6000Pa条件下，保温5～60min； 

（3）气相沉积制备热解碳基体 

通入氮气作为保护稀释气体，小分子烃气体作为碳源，按小分子烃：N₂=（1～4）:（1～4）的体积比将小分子烃和N₂的混合气体通入反应室内，N₂气流量100～3000ml/min，通气渗透反应20～240h，气体通过预制体与气流工装之间形成的窄缝流动通道流经制品表面，原位热解沉积形成碳基体； 

（4）降温冷却后，获得密度提高的碳／碳复合材料坩埚坯体； 

（5）重复上述步骤（2）、（3）、（4），使碳／碳复合材料坩埚坯体密度不断提高，反复致密处理数次至密度≥1.25g/cm³，获得致密的碳／碳复合材料坩埚制品。 

根据本发明优选的，所述碳纤维坩埚预制体选自碳纤维编织坩埚预制体、碳纤维布网针刺坩埚预制体、碳纤维布叠层坩埚预制体或碳纤维缠绕坩埚预制体。碳纤维坩埚预制体均按现有技术即可。 

根据本发明优选的，所述气流工装、感应耦合工装选用电极石墨材料； 

根据本发明优选的，所述感应耦合工装是耦合石墨芯。 

所述小分子烃是碳源，选用丙烯、丙烷、甲烷或液化石油气； 

根据本发明优选的，所述真空感应化学气相沉积炉选用中频感应真空化学气相沉积炉。 

根据本发明优选的，步骤（1）中，装炉时，控制气体窄缝流动通道宽度为5～60mm，预制体内表面与感应耦合工装的耦合贴合面积为5～100%。以预制体内表面为基数计，下同。 

进一步优选的，坩埚预制体内表面与感应耦合工装的耦合贴合面积为50～90%。 

进一步优选的，控制气体窄缝流动通道宽度为10～50mm。 

根据本发明优选的，步骤（2）反应室及产品预热时，温度为950～1250℃，真空度为1000～4000Pa，保温时间为20～30min。 

根据本发明优选的，步骤（3）制备热解碳基体时，小分子烃：N₂的体积比为1:2，N₂气流量1000～3000ml/min，通气反应时间为100～200h。 

根据本发明优选的，步骤（2）（3）（4）循环进行的次数为1～6次，获得的碳／碳复合材料坩埚体积密度为1.25～1.85g/cm³。 

本发明将碳纤维坩埚预制体置于真空感应化学气相沉积炉的反应室内，在加热高温条件下，以氮气为稀释保护气体，将小分子烃气体通入炉内，一边进气，一边抽出，使炉内保持低压真空状态，小分子烃在碳纤维坩埚预制体或进行重复处理的较低密度碳／碳复合材料坩埚坯体内部孔壁表面吸附并高温释放出热解碳，热解碳在热态碳纤维表面沉积，随着沉积过程的进行，碳纤维坩埚预制体内部孔隙逐渐减少，坯体密度不断提高，最终获得致密的碳／碳复合材料坩埚。 

本发明的技术特点及优良效果： 

利用化学气相沉积方法制备碳／碳复合材料坩埚的基础上，本发明增加了窄缝气流措施，强制反应气体经由预制体或低密度坯体表面气体交换层区流动，提高了预制体或低密度坯体表面气体交换层区气体的新旧置换速度，加速了预制体或低密度坯体内部反应气体渗入和废气渗出，减小了制品表层与内部的沉积速度差；本发明还增加了感应耦合措施，提高了制品表层与内部的沉积速度，进一步减小了制品表层与内部的沉积速度差；两者结合，同时采取窄缝气流措施和感应耦合措施时，有效抑制表面先结壳现象，允许采用较高的沉积温度和反应气体炉压，更快速的内外均衡致密化，实现提高质量、缩短制备周期、降低成本的综合目的。 

本发明的方法适于制作单晶硅拉制、多晶硅提纯熔炼和铸锭用碳／碳复合材料坩埚，也适于其它用途的碳／碳复合材料构件。 

附图说明

图1是本发明的窄流感应耦合CVD致密化的装置示意图（剖面）。其中，1是交变磁力线，2是石墨发热体，3是感应线圈，4是真空感应炉，5是反应气体流，6是限制气流工装，7是碳/碳坩埚，8是感应耦合工装（耦合石墨芯）。9是支撑件，10是布气板。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不限于此。 

实施例1 

制备拉制硅单晶材料的碳／碳复合材料坩埚，坩埚尺寸Φ500×450mm。 

（1）将碳纤维编织坩埚预制体和感应耦合工装、气流工装置于真空感应沉积炉的反应室内，坩埚预制体套合在感应耦合工装上，再罩上气流工装，预制体与感应耦合工装、气流工装匹配，形成50mm宽气体流动通道和坩埚预制体筒段全内表面感应耦合； 

感应耦合工装是耦合石墨芯，气流工装是电极石墨材制成。 

（2）升温抽真空，当温度达到950℃时，真空度为1000Pa条件下，保温20min； 

（3）然后以氮气作为保护稀释气体，按丙烯：N₂=1:1的体积比将丙烯和N₂气通入步骤（1）的反应室内，N₂气流量2000ml/min，通气渗透反应120h，原位热解沉积形成碳基体； 

（4）降温冷却后，获得密度提高的碳／碳复合材料坩埚坯体； 

（5）上述（2）（3）（4）步骤反复进行2次，获得体积密度为≥1.50g/cm³的碳／碳复合材料坩埚。 

实施例2、制备提纯熔炼多晶硅的碳／碳复合材料坩埚，坩埚尺寸Φ600×600mm。 

（1）将碳纤维布网针刺坩埚预制体和工装置于真空感应沉积炉的反应室内，预制体与感应耦合工装、气流工装匹配，形成30mm宽气体流动通道和坩埚筒段全内表面感应耦合； 

（2）升温抽真空，当温度达到1250℃时，真空度为2000Pa条件下，保温30min； 

（3）然后以氮气作为保护稀释气体，按甲烷：N₂=2:1的体积比将甲烷和N₂气通入步骤（1）的反应室内，N₂气流量1000ml/min，通气渗透反应120h，原位热解沉积形成碳基体； 

（4）降温冷却后，获得密度提高的碳／碳复合材料坩埚坯体； 

（5）上述（2）（3）（4）步骤反复进行3次，获得体积密度为≥1.65g/cm³的碳／碳复合材料坩埚。 

实施例3、制备多晶硅铸锭的碳／碳复合材料坩埚，坩埚尺寸800×800×600mm。 

（1）将碳纤维布叠层坩埚预制体和工装置于真空感应沉积炉的反应室内，预制体与感应耦合工装、气流工装匹配，形成10mm宽气体流动通道和坩埚筒段全内表面感应耦合； 

（2）升温抽真空，当温度达到1150℃时，真空度为4000Pa条件下，保温30min； 

（3）然后以氮气作为保护稀释气体，按液化石油气：N₂=1:2的体积比将液化石油气和N₂气通入步骤（1）的反应室内，N₂气流量3000ml/min，通气渗透反应180h，原位热解沉积形成碳基体； 

（4）降温冷却后，获得密度提高的碳／碳复合材料坩埚坯体； 

（5）上述（2）（3）（4）步骤反复进行3次，获得体积密度为≥1.60g/cm³的碳／碳复合材料坩埚。