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1、SiC涂层化学气相沉积过程的数值模拟第41卷第9期2007年9月西安交通大学JOURNALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITYVo1.41N_o9Sep.2007SiC涂层化学气相沉积过程的数值模拟孙国栋,李贺军,付前刚,曹伟,宋广兴(西北工业大学碳/碳复合材料工程技术研究中心,710072,西安)摘要:根据化学气相沉积法的工艺特点,对c/c复合材料SiC涂层的制备过程进行了数学建模和有限元模拟,得出了反应器内以及试样表面反应物浓度的变化规律,并且获得了反应器内反应物浓度与沉积产物间的关系.结合实验分析,验证了SiC涂层晶粒尺寸的变化和沉积形貌的演变是由于反应气体浓度分布随位置
2、变化造成的:沿着反应气体流动的方向,反应物浓度逐渐降低,沉积得到的SiC晶粒尺寸逐渐减小,沉积形貌由堆积岛状到颗粒状再到晶须状逐级演变.关键词:化学气相沉积;SiC涂层;数值模拟;复合材料中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号: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复合材料在高于2000oC时仍具有良好的力学性能,因而被视为高温结构件的首选材料.但是在高温有氧环境中,c/c复合材料的氧化会致使其力学性能大大降低,因此c/c复合材料的抗氧化成为其应用的关键_lJ.在c/c复合材料表面制备防护涂层是防止氧化的有效方法.用化学气相沉积法(CVD)制备的SiC涂层具有优良的高温机械性能,耐腐蚀性能和低膨胀系数,特别是与c/c复合材料之间具有良好的物理和
6、化学相容性,因此成为c/c复合材料理想的防护涂层.有研究表明,CVD—SiC涂层的防护性能受SiC晶型,晶粒尺寸及形貌的影响_3J.然而,CVD法制备SiC涂层的过程非常复杂,沉积产物多种多样,仅通过实验来实现对CVD过程的控制和优化相当困难_5J.在已有实验研究的基础上,建立合理的数学模型并利用数值计算技术对CVD过程进行数值模拟,不但有助于深入理解CVD工艺过程和机理,而且可以缩短工艺参数优化的周期,对CVD工艺过程的研究具有十分重要的指导意义.本文根据化学气相沉积法的工艺特点,建立了CVD-SiC涂层制备过程的数学模型,利用有限元方法对反应器内反应气体的浓度场进行了模拟,得到了反应器
7、内反应物浓度与沉积产物间的关系,实现了SiC涂层CVD过程的数值模拟.收稿日期:2007—02—05.作者简介:孙国栋(19794),男,博士生;李贺军(联系人),男,教授,博士生导师.基金项目:国家杰出青年基金资助项目(50225210).第9期孙国栋,等:SiC涂层化学气相沉积过程的数值模拟1数学模型的建立本研究以三氯甲基硅烷(CH3SiC13,简称MTS)为反应气体,Hz为载气,Hz和Ar同时为稀释气体,发生分解反
