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1、SiC涂層化學(xué)氣相沉積過程的數(shù)值模擬第41卷第9期2007年9月西安交通大學(xué)JOURNALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITYVo1.41N_o9Sep.2007SiC涂層化學(xué)氣相沉積過程的數(shù)值模擬孫國棟,李賀軍,付前剛,曹偉,宋廣興(西北工業(yè)大學(xué)碳/碳復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心,710072,西安)摘要:根據(jù)化學(xué)氣相沉積法的工藝特點(diǎn),對c/c復(fù)合材料SiC涂層的制備過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和有限元模擬,得出了反應(yīng)器內(nèi)以及試樣表面反應(yīng)物濃度的變化規(guī)律,并且獲得了反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度與沉積產(chǎn)物間的關(guān)系.結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析,驗(yàn)證了SiC涂層晶粒尺寸的變化和沉積形貌的演變是由于反應(yīng)氣體濃度分布隨位置
2、變化造成的:沿著反應(yīng)氣體流動的方向,反應(yīng)物濃度逐漸降低,沉積得到的SiC晶粒尺寸逐漸減小,沉積形貌由堆積島狀到顆粒狀再到晶須狀逐級演變.關(guān)鍵詞:化學(xué)氣相沉積;SiC涂層;數(shù)值模擬;復(fù)合材料中圖分類號:TB332文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0253—987X(2007)09—1070—05NumericalSimulationofChemicalVaporDepositionProcessforFabricationofSiCCoatingSunGuodong,LiHejun,FuQiangang,CaoWei,SongGuangxing(C/CCompositesTechnologyResea
3、rchCenter,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xian710072,China)Abstract:AmathematicalmodelfordepictingchemicalvapordepositionprocesstofabricateSiCcoatingoncarbon/carboncompositeswasdeveloped.Theconcentrationfieldofthereactivegasesinreactorandtheconcentrationdistributionofreactivegasesonthesurfaceo
4、fsampleweresimu—latedwiththefiniteelementanalysis.Combinedwiththeexperimentalresults,itisvalidatedthatalongtheflowdirectionofthereactivegases,thedimensionoftheas—depositedSiCcrystaldimin—ishesgraduallywiththeconcentrationofthereactivegasesdecreasing,andthemicrostructureoftheSiCcrystalevolvesfromis
5、landtograin,andthentowhisker.Keywords:chemicalvapordeposition;SiCcoating;numericalsimulation;compositec/c復(fù)合材料在高于2000oC時(shí)仍具有良好的力學(xué)性能,因而被視為高溫結(jié)構(gòu)件的首選材料.但是在高溫有氧環(huán)境中,c/c復(fù)合材料的氧化會致使其力學(xué)性能大大降低,因此c/c復(fù)合材料的抗氧化成為其應(yīng)用的關(guān)鍵_lJ.在c/c復(fù)合材料表面制備防護(hù)涂層是防止氧化的有效方法.用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備的SiC涂層具有優(yōu)良的高溫機(jī)械性能,耐腐蝕性能和低膨脹系數(shù),特別是與c/c復(fù)合材料之間具有良好的物理和
6、化學(xué)相容性,因此成為c/c復(fù)合材料理想的防護(hù)涂層.有研究表明,CVD—SiC涂層的防護(hù)性能受SiC晶型,晶粒尺寸及形貌的影響_3J.然而,CVD法制備SiC涂層的過程非常復(fù)雜,沉積產(chǎn)物多種多樣,僅通過實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)對CVD過程的控制和優(yōu)化相當(dāng)困難_5J.在已有實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,建立合理的數(shù)學(xué)模型并利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)對CVD過程進(jìn)行數(shù)值模擬,不但有助于深入理解CVD工藝過程和機(jī)理,而且可以縮短工藝參數(shù)優(yōu)化的周期,對CVD工藝過程的研究具有十分重要的指導(dǎo)意義.本文根據(jù)化學(xué)氣相沉積法的工藝特點(diǎn),建立了CVD-SiC涂層制備過程的數(shù)學(xué)模型,利用有限元方法對反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)氣體的濃度場進(jìn)行了模擬,得到了反應(yīng)器
7、內(nèi)反應(yīng)物濃度與沉積產(chǎn)物間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了SiC涂層CVD過程的數(shù)值模擬.收稿日期:2007—02—05.作者簡介:孫國棟(19794),男,博士生;李賀軍(聯(lián)系人),男,教授,博士生導(dǎo)師.基金項(xiàng)目:國家杰出青年基金資助項(xiàng)目(50225210).第9期孫國棟,等:SiC涂層化學(xué)氣相沉積過程的數(shù)值模擬1數(shù)學(xué)模型的建立本研究以三氯甲基硅烷(CH3SiC13,簡稱MTS)為反應(yīng)氣體,Hz為載氣,Hz和Ar同時(shí)為稀釋氣體,發(fā)生分解反
