工藝參數(shù)對低溫各向同性熱解炭結構和性能的影響.pdf

1、低溫各向同性熱解炭(Low Temperature Isotropic Pyrocarbon，LTIC)具有優(yōu)異的硬度和耐磨性、較低的彈性模量、較強的抗彎曲能力、大于2％的斷裂形變并且其熱膨脹系數(shù)可以在一定的范圍內改變等力學性能，且在人體內并不會與人體發(fā)生排異反應，因此被認為是人工機械心瓣的最佳涂層材料。LTIC涂層材料采用穩(wěn)態(tài)流化床化學氣相沉積工藝(Steady-state Fluidized bed chemical vapor d

2、eposition，SFBCVD)制備而得，但由于工藝的復雜性和工藝參數(shù)對LTIC結構和性能的影響較大，所制備的LTIC涂層材料經常出現(xiàn)分層、裂紋、孔洞等缺陷。因此，研究工藝參數(shù)在LTIC沉積過程中對其微觀結構和力學性能的影響，并闡明LTIC的沉積機理，有利于合理制定和控制工藝參數(shù)，實現(xiàn)LTIC涂層結構和性能的調控。
　　本文采用SFBCVD工藝在1250℃～1450℃沉積溫度和25%～40%丙烷濃度下制備LTIC涂層材料。首先利

3、用X射線衍射、X射線能譜、掃描電鏡以及透射電鏡對LTIC的微觀結構進行表征，并分析LTIC微觀結構與工藝參數(shù)之間的關系；然后利用密度計、壓汞儀以及顯微硬度計對LTIC的密度、孔隙結構和顯微硬度進行了測試，并分析LTIC性能與工藝參數(shù)之間的關系；在兩者基礎上，分析以丙烷為碳源的 SFBCVD工藝中均氣相反應和異相表面反應，建立了LTIC的沉積模型，并從LTIC沉積過程的角度分析了工藝參數(shù)對LTIC微觀結構和性能的影響。主要研究內容和結果如

4、下：
　　(1)不同工藝參數(shù)下制備LTIC材料處于未石墨化狀態(tài)，且在高沉積溫度和丙烷濃度下，其微晶尺寸Lα、Lc值較??；LTIC中含有碳、硅元素，硅含量在5.7～22.1%之間,硅以β-SiC的形式分布在熱解炭中，并出現(xiàn)了小范圍的聚集現(xiàn)象。
　　(2) LTIC材料主要由類球形顆粒和片層狀炭結構共同組成，其中類球形顆粒具有核-殼結構。隨著沉積溫度和丙烷濃度的升高，類球形顆粒的數(shù)量增多，片層狀結構則逐漸減少直至消失，而沉積溫度

5、的升高使得類球形顆粒尺寸減小，丙烷濃度的升高使得類球形顆粒尺寸增大。此外LTIC織構隨著沉積溫度的升高而降低。沉積溫度在1250℃左右，丙烷濃度在25%左右，LTIC沉積速率最大，且沉積溫度和丙烷濃度過高會導致沉積速率降低。
　　(3)隨著沉積溫度和丙烷濃度的升高，一方面LTIC的孔隙數(shù)量增多且出現(xiàn)較大孔徑的孔隙，其中孔隙分布主要以孔徑較小的孔隙為主，也存在一定數(shù)量孔徑較大的孔隙，另一方面微晶尺寸Lα和Lc減小且微晶排列有序程度更

6、加散亂，LTIC中芳香碳平面中的缺陷增多，兩者共同導致其密度和顯微硬度的降低。此外，高沉積溫度和丙烷濃度下LTIC中炭黑的存在以及硅含量的降低會導致LTIC顯微硬度的降低。
　　(4)丙烷在氣相中發(fā)生熱分解、脫氫和縮合等反應，生成小分子鏈烴、芳香烴、PAHs、液滴等中間產物，并在基體上發(fā)生表面反應，其中小分子鏈烴、PAHs等反應形成片層狀炭結構，而液滴則反應生成類球形顆粒，類球形顆粒相互堆積或者與片層狀炭結構聯(lián)結形成LTIC。