含硅低温各向同性热解炭沉积机理分析

发布时间：2017-08-10 13:11

  本文关键词：含硅低温各向同性热解炭沉积机理分析

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【摘要】：由于含硅低温各向同性热解炭(Silicon-alloyed Low temperature isotropic pyrocarbon,Si-LTIC)的弹性模量低、弯曲强度大以及断裂形变大于2%,具有良好的硬度、耐磨性、化学惰性和优异的生物相容性,因此在医学领域(如人工机械心瓣等)得到了应用。但是目前国内制备的全炭双叶机械瓣膜用Si-LTIC涂层时常出现裂纹、分层、孔洞等缺陷,导致成品率低和生产成本高。为了制备出高性能的Si-LTIC材料,需要研究沉积工艺条件对Si-LTIC微观组织结构和性能的影响,同时探索清楚Si-LTIC材料的沉积过程对工艺条件的选择和控制至关重要。为此,研究Si-LTIC沉积过程、沉积工艺条件对其结构和性能的影响是目前亟待解决的问题。首先采用稳态流化床化学气相沉积工艺(Steady-state Fluidized bed chemical vapor deposition,SFBCVD)在1250~1450℃的沉积温度和25~60%的丙烷体积浓度下制备Si-LTIC;然后利用EDS、XRD、SEM和TEM等对不同工艺条件下制备的Si-LTIC进行表征和分析,研究沉积温度和丙烷体积浓度对Si-LTIC微观组织结构的影响;在此基础上,分析SFBCVD均相气相反应和异相表面反应,进而讨论稳态流化床化学气相沉积Si-LTIC的机理,研究沉积温度和丙烷体积浓度对Si-LTIC沉积模型的影响;最后采用Fluent计算流体动力学软件对稳态流化床内稠密气固两相流动特性进行数值模拟,分析沉积炉的锥角和入口气体速度对流动状态的影响,并对稳态流化床化学气相沉积Si-LTIC的沉积机理进行补充和完善。主要的研究内容和结论有:(1)制备得到的Si-LTIC中主要有C、Si两种元素,还有少量O元素,硅含量在5.7~22.1wt%之间,而O元素含量低,在0.5 wt%左右。不同工艺参数下制备的Si-LTIC的热解炭XRD晶格结构参数不同,总的来说,当沉积温度和丙烷体积浓度上升时,热解炭微晶尺寸变小。(2)随着丙烷体积浓度升高,Si-LTIC微观形貌中片层状炭结构逐渐减少,类球形颗粒数量增多尺寸变大;随着沉积温度升高,Si-LTIC微观形貌中类球形颗粒细化,数量增多且尺寸变小,类球形颗粒逐渐取代片层状炭结构,孔隙增多,且类球形颗粒内包围着炭黑颗粒的炭层织构逐渐降低。Si-LTIC的密度均随着沉积温度和丙烷体积浓度的升高而降低。过高的沉积温度和丙烷体积浓度均会导致Si-LTIC的平均涂层速率降低。(3)Si-LTIC的沉积过程:气相中炭黑颗粒的形成,炭黑颗粒吸附小分子链烃和芳烃等生长形成液滴,液滴与小分子链烃、芳烃、β-SiC颗粒等多种中间产物的共同沉积;(4)提出Si-LTIC的气相形核-表面生长机理:气相形核机理控制类球形颗粒的生长,表面生长机理控制片层状结构的形成;随着沉积温度或丙烷体积浓度升高,Si-LTIC的沉积过程均逐渐由以表面生长机理为主转变为以气相形核机理为主。(5)采用本文实验的操作条件,在锥角为60°的炉体内形成具有“环-核”结构的散式流化床,炉内中心区域的气相体积分数为0.37左右;随着入口气体速度的增加,中心区域的气相和颗粒平均速度均逐渐增加,但是对气相体积分数的影响不大。(6)在稳态流化床数值模拟的基础上,补充和完善了稳态流化床化学气相沉积Si-LTIC的沉积机理;沉积温度和丙烷体积浓度是Si-LTIC形成的内因,而炉体结构和入口气体速度是外因,提供了Si-LTIC形成的空间和时间上的可能性。
【关键词】：化学气相沉积 流化床 含硅低温各向同性热解炭 沉积条件 微观结构 气固两相流 沉积机理
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;R318.08
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 引言11-12
• 1.2 热解炭的微观结构12-17
• 1.2.1 热解炭的结构特征12-13
• 1.2.2 热解炭的表征与分类13-17
• 1.3 稳态流化床化学气相沉积工艺17-21
• 1.3.1 化学气相沉积工艺17-18
• 1.3.2 影响化学气相沉积工艺的主要参数18-21
• 1.4 化学气相沉积热解炭的形成机理21-24
• 1.4.1 烃类气体在气相中的热解反应22-23
• 1.4.2 热解炭沉积机理23-24
• 1.5 流化床气固两相动力学分析24-25
• 1.6 本文研究意义及主要内容25-27
• 第2章 材料制备与表征27-31
• 2.1 引言27
• 2.2 含硅低温各向同性热解炭的制备27-29
• 2.2.1 稳态流化床反应装置27-28
• 2.2.2 含硅低温各向同性热解炭材料的制备工艺参数28-29
• 2.3 含硅低温各向同性热解炭微观结构的表征方法29-31
• 2.3.1 密度29
• 2.3.2 X射线衍射(XRD)29
• 2.3.3 X射线能谱(EDS)29
• 2.3.4 扫描电镜(SEM)29-30
• 2.3.5 透射电镜(TEM)30-31
• 第3章 沉积条件对含硅低温各向同性热解炭微观组织结构的影响31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 含硅低温各向同性热解炭的组分分析31-33
• 3.2.1 X射线能谱分析(EDS)31-32
• 3.2.2 X射线衍射分析(XRD)32-33
• 3.3 沉积条件对Si-LTIC断面形貌的影响(SEM)33-36
• 3.4 沉积条件对Si-LTIC织态结构的影响(TEM)36-40
• 3.5 沉积条件对Si-LTIC沉积速率和密度的影响40-41
• 3.6 本章小结41-43
• 第4章 含硅低温各向同性热解炭的沉积机理分析43-51
• 4.1 引言43
• 4.2 SFBCVD均相气相反应43-46
• 4.3 SFBCVD异相表面反应46
• 4.4 含硅低温各向同性热解炭沉积模型46-48
• 4.5 沉积条件对含硅低温各向同性热解炭形成过程的影响48-50
• 4.6 本章小结50-51
• 第5章 稳态流化床内稠密气固两相流动的数值模拟51-68
• 5.1 引言51
• 5.2 数值模拟理论51-54
• 5.2.1 CFD数值模拟方法简介51-52
• 5.2.2 稠密气固两相流的数值计算模型52-53
• 5.2.3 稳态流化床内稠密气固两相流数学模型的选择53-54
• 5.3 数值模拟求解过程54-58
• 5.3.1 几何模型与网格划分54-56
• 5.3.2 fluent求解器的选择与边界条件的设定56-57
• 5.3.3 求解控制与计算57-58
• 5.4 数值模拟的结果与分析58-66
• 5.4.1 沉积炉的锥角对流动状态的影响58-62
• 5.4.2 入口气体速度对流动状态的影响62-66
• 5.5 稳态流化床内Si-LTIC沉积机理分析66-67
• 5.6 本章小结67-68
• 第6章 总结与展望68-70
• 6.1 总结68-69
• 6.2 展望69-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-75
• 附录75

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