專利名稱：化學氣相沉積爐用預熱裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于化學氣相沉積爐專用工裝技術領域，具體是一種化學氣相沉積爐用預熱裝置。
背景技術：
碳-碳復合材料是一種新型復合材料，它的特點是密度小、比強度高、比模量大、 比熱容大，尤其是摩擦系數大、磨損率低，成為制造飛機剎車盤的首選材料。該復合材料的主要制備方法是化學氣相沉積工藝。它是將碳纖維預制體放置于化學氣相沉積爐的工作區內，加熱到溫度900°C -1IOO0C，通入碳氫類氣體如甲烷、丙烯等，碳氫氣擴散至多孔的碳纖維預制體的內部，在碳纖維的表面發生一系列復雜的裂解、聚合反應，形成大分子聚合物沉積到碳纖維的表面上，再經過脫氫反應轉變成碳基體。隨著反應氣體持續送入和反應持續進行，碳基體在碳纖維表面連續生成和生長，碳基體逐漸填充了碳纖維預制體內的空隙，并將碳纖維預制體內分散的碳纖維粘結成一體，形成結構完整的碳-碳復合材料。在碳-碳復合材料生產工藝中，一般是數十個碳纖維預制體以逐個疊加的方式堆積成料柱，放置于化學氣相沉積爐的工作區內進行化學氣相沉積。在碳-碳復合材料的密度檢測過程中，發現了一種現象材料工件的密度與其在料柱中的位置有關，處于料柱底部的材料工件，其密度最低；隨著材料工件在料柱中位置的升高，其密度逐漸升高；工件間的密度差異最大超過百分之三十。分析這種現象的成因，是由于反應氣體溫度低引起的。反應氣體進入化學氣相沉積爐的工作區前尚處于室溫，進入工作區后被料柱加熱，并隨反應氣體在料柱中位置的升高，持續加熱至反應溫度。這樣在料柱內部形成了一個溫度梯度場料柱底部溫度最低，隨著料柱高度的增加，溫度逐漸升高。眾所周知，化學反應的速率隨著溫度升高呈指數級增加，自然形成了料柱內部化學氣相沉積速率的梯度分布和材料工件密度的梯度分布。《炭素技術》第23卷第三期“c/c剎車盤制備工藝的研究”一文中曾提到的預加熱罐結構可以改善這種問題，但這種結構存在如下缺陷一是導氣管未固定，在氣流沖擊下會發生偏移，導致部分氣流未通過導氣管流出而未預熱，造成氣體預熱不勻而影響反應效果； 二是導氣管采用耐熱不銹鋼材料制作，在工作溫度下會與反應氣體發生催化反應，改變了部分反應氣體的化學成分，并且導氣管易于發生開裂和脆斷。
發明內容
為克服現有技術中存在的氣體預熱不勻而影響反應效果和導氣管易于發生開裂和脆斷的不足，本發明提出了一種化學氣相沉積爐用預熱裝置。本發明包括爐體、料柱、進氣管、承料盤、基座、預熱筒和導氣管。料柱位于爐體內， 置于承料臺的上表面。基座和預熱筒均位于料柱內，并且基座置于承料臺的上表面中心處。 預熱筒安放在基座底板的上表面，并套裝在位于基座上表面中心的預熱筒定位套筒上。預熱筒的內壁與所述預熱筒定位套筒的外表面之間間隙配合。導氣管裝入預熱筒內，并使所述導氣管的大直徑端位于基座的中心孔內。導氣管小直徑端的外壁與預熱筒內壁之間的距離為30 60mm。當氣體流量在80升/分-120升/分時，導氣管的外壁與預熱筒內壁之間距離的優選范圍為55mm-60mm ；當氣體流量在50升/分-80升/分時，導氣管的外壁與預熱筒內壁之間距離的優選范圍為35mm-40mm。導氣管的高度小于預熱筒的內腔高度10_20mm。 進氣管的一端穿過承料臺的中心孔，裝入導氣管的內孔中。進氣管的另一端與氣源管道連接。基座的底部涂敷有膠結劑。所述的膠結劑使用酚醛樹脂和石墨粉混合而成，其份量比為酚醛樹脂石墨粉=1 1 2。所述的基座、預熱筒和導氣管均用石墨制成。基座中心孔的內徑與導氣管大直徑端的外徑相同。基座上表面中心的預熱筒定位套筒的外徑與預熱筒的內徑相同。在基座底板的上表面對稱地分布有2個徑向槽。在與所述徑向槽對應的預熱筒定位套筒的外圓周表面上亦有2個軸向槽。同側相對應的徑向槽和軸向槽連通，形成了預熱裝置的出氣口，出氣口的截面積為100 200mm2。導氣管一端大直徑端的外徑與基座底板中心孔的孔徑相同。所述導氣管大直徑端的內孔孔徑大于進氣管的外徑10mm。安裝時，首先分別在基座的底面和承料盤上表面的中心處涂敷膠結劑，并將基座與承料盤4進行膠結。基座應定置于承料盤4的中心。將導氣管的大直徑端插入基座的中心孔，并與進氣管連通。最后將預熱筒套裝在導氣管和基座的預熱筒定位套筒上，并使預熱筒置于基座的底板上，這樣既保證了預熱裝置定位適當，又避免了反應氣體的泄漏。接下來將工件疊放在承料盤上形成料柱，并將安裝好的料柱送入CVD爐內。采用本發明的技術方案，由于進氣管一端直接與外部氣源固定連接，另一端穿過承料臺進入導氣管大直徑端，而承料臺與基座之間采用膠結密封，這樣反應氣體從進氣管就會全部進入導氣管，并通過導氣管上行到氣體預熱筒的頂部后返回，從基座的出氣口流出，進入料柱。由于氣體在預熱裝置內的循環，使氣體得到完全充分的預熱，進而有效地提高了料柱底部的溫度，使整個料柱的溫度場均勻性提高，沉積的所有工件的密度離散度小于3%。另外基座、導氣管和預熱筒三者均采用石墨材料制成，既避免了鐵與反應氣體之間的催化反應，也避免了導氣管的開裂和脆斷。
圖1是化學氣相沉積爐的爐體結構示意圖。圖2是氣體預熱裝置的結構示意圖。圖3石墨基座的主視圖。圖4是石墨基座的俯視圖。其中1.爐體 2.料柱 3.預熱筒 4.承料盤 5.進氣管6.導氣管 7.基座
具體實施例實施例一圖1所示，本實施例是用于工作區為直徑400mm、高800mm的CVD爐的預熱裝置。 包括爐體1、料柱2、進氣管5、承料盤4、基座7、預熱筒3和導氣管6，適用于氣體總流量范圍為80升/分-120升/分。
本實施例中，料柱2位于爐體1內，置于承料臺4的上表面。基座7和與之配合的預熱筒3均位于料柱2內。基座7亦置于承料臺4的上表面中心處。預熱筒3套在基座7 上表面的預熱筒定位套筒上，并且預熱筒3的內壁與所述預熱筒定位套筒的外表面之間間隙配合；預熱筒3的下端放置在基座7底板的上表面。導氣管6裝入預熱筒3內，并使所述導氣管6的大直徑端位于基座7的中心孔內。導氣管6的外壁與預熱筒3內壁之間的距離為30 60mm ；當氣體流量在80升/分-120升/分時，導氣管6的外壁與預熱筒3內壁之間距離的優選范圍為55mm-60mm，本實施例中，導氣管外壁與預熱筒內壁之間的距離為 55mm。進氣管5的一端穿過承料臺4的中心孔，裝入導氣管6的內孔中；進氣管5的另一端與氣源管道連接。預熱筒3采用石墨材料制成，其高度為450_皿，其內腔比導氣管6高20mm。基座7為采用石墨制成的中空回轉體，其外形呈臺階狀，分別為底板和位于底板上表面中心的預熱筒定位套筒。基座7中心孔的孔徑與導氣管6大直徑端的外徑相同。基座7上表面中心的預熱筒定位套筒的外徑與預熱筒3的內徑相同。在基座7底板的上表面對稱地分布有2個徑向槽；在與所述徑向槽對應的預熱筒定位套筒的外圓周表面上亦有 2個軸向槽；同側相對應的徑向槽和軸向槽連通，形成了預熱裝置的出氣口 ；出氣口的截面積為100 200mm2，本實施例中，出氣口的截面積為200mm2。導氣管6為薄璧殼體，采用石墨制成。所述導氣管6的外形呈“T”字形。導氣管 6 一端端頭處為與基座7底板中心孔配合的大直徑端，故導氣管6大直徑端的外徑與基座7 中心孔的內徑相同。導氣管6小直徑端的外徑與小于預熱筒3的內徑，并使兩者配合后，導氣管6小直徑端的外表面與預熱筒3的內表面之間有55mm的間距。所述導氣管6的內孔為階梯孔。導氣管6大直徑端的內孔孔徑大于進氣管5的外徑10mm，允許進氣管5在導氣管6內有偏心度。導氣管的高度小于預熱筒的內腔高度20mm;安裝時，首先在基座7的底部涂敷膠結劑，并將基座7膠結在承料盤4的上表面； 通過所涂敷的膠結劑將基座7與承料盤4固定并密封。所述的膠結劑使用酚醛樹脂和石墨粉混合而成，其份量比為酚醛樹脂石墨粉=1 1 2。本實施例中酚醛樹脂與石墨粉的份量比為1 1。再將導氣管6插入基座7的中心孔內，并與進氣管5連通；最后將預熱筒3套裝在導氣管6上，并將預熱筒3置于基座7的底板上。接著將工件疊放在承料盤4上形成料柱 2，并將安裝好的料柱2送入CVD爐內。對采用本預熱裝置所沉積的工件進行密度檢測，整個料柱的所有工件密度偏差小于3%，大幅度提高了工件密度均勻性，顯著降低了工件的返燒率，提高了生產效率。實施例二圖1所示，本實施例是用于工作區為直徑400mm、高800mm的CVD爐的預熱裝置。 包括爐體1、料柱2、進氣管5、承料盤4、基座7、預熱筒3和導氣管6，適用于氣體總流量范圍為50升/分-80升/分，具體實施過程是料柱2位于爐體1內，置于承料臺4的上表面。基座7和與之配合的預熱筒3均位于料柱2內。基座7亦置于承料臺4的上表面中心處。預熱筒3套在基座7上表面的預熱筒定位套筒上，并且預熱筒3的內壁與所述預熱筒定位套筒的外表面之間間隙配合；預熱筒3的下端放置在基座7底板的上表面。導氣管6 裝入預熱筒3內，并使所述導氣管6的大直徑端位于基座7的中心孔內。導氣管6的外壁與預熱筒3內壁之間的距離為30 60mm ；當氣體流量在50升/分-80升/分時，導氣管6 的外壁與預熱筒3內壁之間距離的優選范圍為35mm-40mm ；本實施例中，導氣管外壁與預熱筒內壁之間的距離為40mm。進氣管5的一端穿過承料臺4的中心孔，裝入導氣管6的內孔中；進氣管5的另一端與氣源管道連接。預熱筒3采用石墨材料制成，其高度為350_m，其內腔比導氣管6高10mm。基座7為采用石墨制成的中空回轉體，其外形呈臺階狀，分別為底板和位于底板上表面中心的預熱筒定位套筒。基座7中心孔的孔徑與導氣管6大直徑端的外徑相同。基座7上表面中心的預熱筒定位套筒的外徑與預熱筒3的內徑相同。在基座7底板的上表面對稱地分布有2個徑向槽；在與所述徑向槽對應的預熱筒定位套筒的外圓周表面上亦有 2個軸向槽；同側相對應的徑向槽和軸向槽連通，形成了預熱裝置的出氣口 ；出氣口的截面積為100 200mm2，本實施例中，出氣口的截面積為120mm2。導氣管6為薄璧殼體，采用石墨制成。所述導氣管6的外形呈“T”字形。導氣管 6 一端端頭處為與基座7底板中心孔配合的大直徑端，故導氣管6大直徑端的外徑與基座7 底板中心孔的孔徑相同。導氣管6的小直徑端的外徑與小于預熱筒3的內徑，并使兩者配合后，導氣管6的外表面與預熱筒3的內表面之間有40mm的間距。所述導氣管6的內孔為階梯孔。導氣管6大直徑端的內孔孔徑大于進氣管5的外徑10mm，允許進氣管5在導氣管 6內有偏心度。導氣管的高度小于預熱筒的內腔高度100mm。安裝時，首先在基座7的底部涂敷膠結劑，并將基座7膠結在承料盤4的上表面； 通過所涂敷的膠結劑將基座7與承料盤4固定并密封。所述的膠結劑使用酚醛樹脂和石墨粉混合而成，其份量比為酚醛樹脂石墨粉=1 1 2。本實施例中酚醛樹脂與石墨粉的份量比為1 2。再將導氣管6插入基座7的內孔，并與進氣管5連通；最后將預熱筒3套裝在導氣管6上，并將預熱筒3置于基座7上。接著將工件疊放在承料盤4上形成料柱2，并將安裝好的料柱2送入CVD爐內。對采用本預熱裝置所沉積的工件進行密度檢測，整個料柱的所有工件密度偏差小于3%，大幅度提高了工件密度均勻性，顯著降低了工件的返燒率，提高了生產效率。
權利要求
1.一種化學氣相沉積爐用預熱裝置，包括爐體、料柱、進氣管和承料盤；料柱位于爐體內，置于承料臺的上表面；其特征在于，還包括基座、預熱筒和導氣管，并且所述的基座、 預熱筒和導氣管均用石墨制成；基座和預熱筒均位于料柱內，并且基座置于承料臺的上表面中心處；預熱筒安放在基座底板的上表面，并套裝在位于基座上表面中心的預熱筒定位套筒上；預熱筒的內壁與所述預熱筒定位套筒的外表面之間間隙配合；導氣管裝入預熱筒內，并使所述導氣管的大直徑端位于基座的中心孔內；導氣管的外壁與預熱筒內壁之間的距離為30mm 60mm ；當氣體流量在80升/分-120升/分時，導氣管的外壁與預熱筒內壁之間距離的優選范圍為55mm-60mm ；當氣體流量在50升/分-80升/分時，導氣管的外壁與預熱筒內壁之間距離的優選范圍為35mm-40mm ；導氣管的高度小于預熱筒的內腔高度 10-20mm;進氣管的一端穿過承料臺的中心孔，裝入導氣管的內孔中；進氣管的另一端與氣源管道連接；基座的底部涂敷有膠結劑。
2.如權利要求1所述一種化學氣相沉積爐用預熱裝置，其特征在于，基座中心孔的孔徑與導氣管大直徑端的外徑相同；基座上表面中心的預熱筒定位套筒的外徑與預熱筒的內徑相同；在基座底板的上表面對稱地分布有2個徑向槽；在與所述徑向槽對應的預熱筒定位套筒的外圓周表面上亦有2個軸向槽；同側相對應的徑向槽和軸向槽連通，形成了預熱裝置的出氣口，出氣口的截面積為100 200mm2。
3.如權利要求1所述一種化學氣相沉積爐用預熱裝置，其特征在于，導氣管大直徑端的外徑與基座底板中心孔的孔徑相同；所述導氣管大直徑端的內孔孔徑大于進氣管的外徑 IOmm0
4.如權利要求1所述一種化學氣相沉積爐用預熱裝置，其特征在于，所述的膠結劑用酚醛樹脂和石墨粉混合而成，其份量比為酚醛樹脂石墨粉=1 1 2。
全文摘要
一種化學氣相沉積爐用預熱裝置，包括預熱筒、導氣管和基座，均由石墨材料制成。在爐體的料柱內安放預熱筒；預熱筒內有導氣管，該導氣管的下端嵌入基座的內孔中，并在基座的內孔中與進氣管連通。基座置于承料盤上，并用膠結劑與承料盤膠結，預熱筒置于基座之上，并且基座上表面對稱的分布有預熱筒的出氣口，工件疊放在承料盤上形成料柱。反應氣體從進氣管通過導氣管進入預熱筒頂部后返回，從預熱筒底部出氣口流入料柱。氣體通過在預熱裝置內的循環得到充分的預熱，有效地提高了料柱底部的溫度和料柱溫度場的均勻性，使所有工件的密度離散度小于3％。石墨材料制成的基座、導氣管和預熱筒既避免了鐵與反應氣體之間的催化反應，也避免了導氣管的開裂和脆斷。
文檔編號C23C16/26GK102330070SQ20111032154
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月20日 優先權日2011年10月20日
發明者盧鋼認, 崔鵬, 王強 申請人:西安航空制動科技有限公司