沉積條件對低溫各向同性熱解炭微觀結(jié)構(gòu)的影響.pdf

1、由于低溫各向同性熱解碳(Low temperature isrtropic pyrocarbon, LTIC）具有較低的各向異性度、結(jié)構(gòu)致密、晶粒尺寸小、性能均一，因而除具備一般炭材料耐高溫、耐磨損等共性優(yōu)點外，還具有強度高、優(yōu)異的密封性和生物相容性等性能。目前，LTIC作為涂層材料廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。但是不同沉積工藝會導(dǎo)致具有不同結(jié)構(gòu)LTIC材料的生成，不同的結(jié)構(gòu)又決定了涂層材料具有的性能存在差異。因此，LTIC微觀結(jié)構(gòu)是聯(lián)系工藝參數(shù)

2、和材料性能的橋梁，是決定LTIC涂層質(zhì)量、應(yīng)用效能的關(guān)鍵。
　　因此，本文采用穩(wěn)態(tài)流化床化學(xué)氣相沉積(Fluidized bed chemical vapor deposition, FBCVD)工藝，選擇了影響較大且直接可控的關(guān)鍵工藝參數(shù)，即沉積溫度和碳源氣體濃度，保持其他沉積參數(shù)固定，以不同濃度的丙烷為源物質(zhì)，在1250～1450℃，制備得到LTIC涂層材料。利用常用表征手段X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（

3、TEM）和偏光顯微鏡（PLM）等對獲得的LTIC材料的微觀結(jié)構(gòu)進行了表征，詳細(xì)分析了LTIC內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元。在初步表征基礎(chǔ)上，研究了沉積溫度和丙烷氣體濃度對LTIC密度、斷面形貌、織態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，分析了LTIC沉積條件的選擇與控制。根據(jù)上述的分析結(jié)果，在總結(jié)、借鑒前人對熱解炭形成機理的研究基礎(chǔ)上，對化學(xué)氣相沉積過程進行了分析，嘗試討論了LTIC的沉積機理，建立了LTIC的液滴沉積模型，并初步解釋了沉積溫度和丙烷氣體濃度的影響。主要的研究內(nèi)

4、容和結(jié)果如下：
　　(1)分析表征了LTIC材料的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：沉積得到的LTIC涂層由直徑小于2μm的類球形顆粒狀炭結(jié)構(gòu)無取向堆積、融并而成，顆粒內(nèi)有排列比較規(guī)則的β-Sic和亂層結(jié)構(gòu)PyC兩種晶格條紋；LTIC與石墨基體之間由于基體表面的“記憶效應(yīng)”存在一定厚度的類似生長錐結(jié)構(gòu)的過渡層；類球形顆粒是石墨多晶內(nèi)核-片層狀殼結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)類似于“洋蔥”狀。
　　(2)研究了沉積溫度和丙烷氣體濃度對LTIC密度的影響。結(jié)

5、果表明：沉積得到的LTIC密度從1.65 g/cm3到2.03 g/cm3不等，降低沉積溫度或丙烷氣體濃度均可提高LTIC的密度,相較于丙烷濃度，沉積溫度對LTIC密度的影響更顯著。
　　(3)研究了沉積溫度和丙烷氣體濃度對LTIC斷面形貌的影響。結(jié)果表明：相較于沉積溫度，丙烷氣體濃度對LTIC斷面形貌的影響更顯著。隨著沉積溫度或丙烷氣體濃度的升高，LTIC的顆粒之間的融并程度降低，融并范圍縮小，顆粒的數(shù)量增多，類球形顆粒之間的堆

6、積逐漸由均勻稠密的褶皺片層狀結(jié)構(gòu)變化為松散的“串狀”，孔隙增多，致密度降低，類球形顆粒狀形貌越來越明顯，沉積過程由生長模式向成核模式過渡，形核率增大。
　　(4)研究了沉積溫度和丙烷氣體濃度對LTIC織態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：隨著沉積溫度或丙烷氣體濃度的升高，LTIC類球形顆粒內(nèi)部的晶格條紋長度和彎曲度逐漸增加，取向逐漸變得紊亂，織構(gòu)降低，芳香炭平面片層彎曲度的改變是熱解炭織態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的主要原因。
　　(5)分析了LTI

7、C沉積溫度和丙烷氣體濃度的選擇與控制。結(jié)果表明：密度越高，LTIC涂層越致密；形核率越高，LTIC各向同性程度越高。沉積溫度或丙烷氣體濃度過低不利于提高形核率，過高不利于增大密度。
　　(6)分析了LTIC的沉積過程特點和組織演化機制，建立了LTIC氣相形核、融并、長大-液滴表面炭化的沉積模型，并嘗試解釋了沉積溫度和丙烷氣體濃度的影響。結(jié)果表明：沉積模式隨沉積條件的改變決定了LTIC微觀結(jié)構(gòu)的改變，而這些變化與氣相中形成的線性分子