[发明专利]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

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；