碳碳復(fù)合材料快速沉積爐溫度場(chǎng)仿真分析

文 武， 夏 青， 王 營， 敖 明

（1.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044； 2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 航天材料及工藝研究所， 北京 100076）

0 引言

最近幾年來太陽能光伏行業(yè)發(fā)展迅速， 對(duì)硅單晶、多晶生長(zhǎng)設(shè)備提出了更高的要求。生產(chǎn)高純半導(dǎo)體材料的硅單晶生長(zhǎng)爐正在向大型化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。 硅單晶生長(zhǎng)爐隔熱保溫筒、坩堝、發(fā)熱體等熱場(chǎng)系統(tǒng)元件采用高純石墨、超高純石墨材料制造，硅單晶生長(zhǎng)爐最主要的易損石墨件的消耗量特別大。 而目前高性能石墨是等靜壓成形，需要大型壓力設(shè)備，投資較大，同時(shí)擠壓料一般為實(shí)心棒料或塊料，加工成本也高，浪費(fèi)嚴(yán)重，污染環(huán)境，目前國內(nèi)用于硅晶體行業(yè)的高純、高性能石墨嚴(yán)重依靠進(jìn)口。

C/C 復(fù)合材料是在碳纖維基礎(chǔ)上進(jìn)行了石墨化增強(qiáng)處理的產(chǎn)品。 產(chǎn)品在2000℃～2500℃下生產(chǎn)而成，能夠耐受2000℃的高溫。同時(shí)，為了使產(chǎn)品達(dá)到更好的耐熱沖擊性，產(chǎn)品經(jīng)過了反復(fù)的熱處理。產(chǎn)品的密度為1.6～1.8g/cm3，是耐熱鋼的1/4，強(qiáng)度是石墨五倍左右，碳碳復(fù)合材料熱場(chǎng)產(chǎn)品壽命非常長(zhǎng)，在性價(jià)比方面有非常大的優(yōu)勢(shì)[1，2]。

C/C 復(fù)合材料的整體坩堝能夠反復(fù)使用，即使有漏硅、停電等特殊情況出現(xiàn)， 也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)C/C 復(fù)合材料熱場(chǎng)損壞。 而目前普遍使用的三瓣石墨坩堝，隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)，三瓣之間的間隙會(huì)逐漸增大，安全性和可靠性會(huì)越來越差。在制造工藝方面，越是大尺寸的產(chǎn)品，C/C 復(fù)合材料的性價(jià)比也越高。C/C 復(fù)合材料可以根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要加工出任意尺寸和形狀的整體坯件， 再通過增密工藝制造出超大尺寸的產(chǎn)品，加上采用近凈成型工藝，因此構(gòu)件尺寸越大經(jīng)濟(jì)性也越好。 綜合比較而言，無論是制備設(shè)備成本和加工成本， 還是材料損耗成本與能耗，C/C 復(fù)合材料比高純石墨材料更有優(yōu)勢(shì)。

目前國內(nèi)C/C 復(fù)合材料發(fā)展遇到的瓶頸問題主要是欠缺先進(jìn)的沉積爐，原絲技術(shù)已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，目前已經(jīng)具備T800、T1000 等高強(qiáng)碳纖維生產(chǎn)能力，而發(fā)達(dá)國家對(duì)我國實(shí)行技術(shù)封鎖，面臨較高的技術(shù)壁壘，先進(jìn)的沉積爐一直難有突破，化學(xué)氣相沉積爐（CVI）是制造高性能C/C 復(fù)合材料的核心設(shè)備， 化學(xué)氣相沉積爐的研發(fā)和推廣， 打破國外技術(shù)壟斷， 對(duì)發(fā)展大型硅單晶生長(zhǎng)設(shè)備，制造大尺寸的晶體，提升我國的微電子技術(shù)水平具有極為重要的意義。

1 工作原理

CVI 工藝[3]是把碳纖維預(yù)制體置于專用工業(yè)爐中，加熱至所要求的溫度，通入碳源氣，碳源氣在高溫條件下熱解并在碳纖維上沉積，填充多孔預(yù)制體中的孔隙，是制備高性能C/C 復(fù)合材料的首選辦法[4]，可以制得較高密度的產(chǎn)品。 圖1 為設(shè)備原理圖和首臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備。

2 傳熱計(jì)算及系統(tǒng)仿真

圖1 設(shè)備原理圖

2.1 傳熱計(jì)算

腔體中的傳熱是幅射與對(duì)流同時(shí)作用， 總的傳熱流量等于輻射傳熱與對(duì)流傳熱流量之和，設(shè)Q生為加熱器產(chǎn)生的熱量，Q散為系統(tǒng)損失的熱量，主要包括三個(gè)方面，一是爐壁與外循環(huán)水之間的熱交換；一個(gè)為充氣過程中，由于外部進(jìn)來的丙烷氣體溫度低， 加熱這部分氣體到1100度所需要的熱量，進(jìn)氣量為12m3/h；另外一部分是排氣所帶的熱量，由于排出的氣體比較緩慢，可近視認(rèn)為這部分損失的熱量等于爐壁與外循環(huán)水之間的熱交換。 在1100度動(dòng)平衡情況下，可認(rèn)為Q生=Q散。

在穩(wěn)定態(tài)情況下， 受體傳給水冷壁的熱量等于水冷壁傳給冷卻水的熱量，即：

其中：tf1—腔體溫度；tf2—冷卻水溫度；λ—爐壁的熱導(dǎo)率；tb1—爐壁內(nèi)側(cè)溫度；tb2—爐壁外側(cè)溫度。

按和比定律得：

則熱流量Q：

其中：Q—熱流量（W）；α∑—綜合傳熱系數(shù)，

由于存在雙層隔熱屏，減少了熱量的損失，最后傳熱計(jì)算公式如下：

其中：l—腔體高度。

加熱室溫丙烷氣體所需的熱流量：

其中：V—預(yù)熱丙烷流量（m3/s）；c′、c″—丙烷在不同溫度下的比熱容（KJ/m3·℃）。 t′、t″—進(jìn)氣溫度和腔體內(nèi)的丙烷溫度（℃）。

2.2 有限模型的建立

腔室溫度分布梯度決定C/C 復(fù)合材料的質(zhì)量， 溫度不均勻，則產(chǎn)品密度分布不一致，溫度低，沉積速度過慢，溫度高，則容易形成氣孔，產(chǎn)品密度低[5-6]。 通過有限元軟件ABAQUS，分析整個(gè)腔室溫度分布情況，水冷套對(duì)整個(gè)溫度梯度的影響情況， 沖氣流量及溫度對(duì)沉積溫度的影響區(qū)域。根據(jù)腔室熱流量分布情況，模擬實(shí)際生產(chǎn)過程的溫度分布情況是十分必要的[7，8]。

在有限元分析進(jìn)行建模時(shí)， 將整個(gè)腔體和加熱保溫系統(tǒng)簡(jiǎn)化為二維熱輻射模型[9]，有限元模型主要包含以下幾個(gè)部分：加熱器、支撐筒、隔熱屏、爐體及之間的丙烷氣體，圖2 為簡(jiǎn)化后的模型。

模型中所用材料參數(shù)包含：密度、比熱、熱傳導(dǎo)率和發(fā)射率，整個(gè)分析過程是通過將幾何體離散成熱傳導(dǎo)單元， 選擇Abaqus 中分析算法Heat Transfer進(jìn)行瞬態(tài)（Heat transfer）和穩(wěn)態(tài)分析（Heat transfer，Steady State）。 在網(wǎng)格劃分控制技術(shù)中采用三角形自由劃分， 在單元類型采用Heat Transfer 單元類型。

在瞬態(tài)傳熱分析之前，確定初始分析步為Heat Transfer （傳熱分析，腔體輻射），設(shè)定一個(gè)初始的溫度分布為室溫25℃（初始分析步initial），穩(wěn)態(tài)時(shí)水冷爐外壁溫度為40℃，分析步中Time period 為1800，在時(shí)間積分計(jì)算瞬態(tài)傳熱過程選項(xiàng)卡中， 設(shè)定時(shí)間積分精度參數(shù)為5，來控制求解精度。 根據(jù)最小時(shí)間增量準(zhǔn)則來確定最小可用時(shí)間增量步設(shè)置：

圖2 簡(jiǎn)化模型

其中：△t=0.01：時(shí)間增量；ρ—密度；c—比熱；k—熱傳導(dǎo)率；△l—在最大溫度梯度區(qū)域靠近表面的單元尺度。

Interaction 模塊中設(shè)定為腔體輻射。

圖3 是腔體各部件表面溫度總體分布情況， 從中可以看出加熱器及支撐筒表面溫度一致， 數(shù)據(jù)分析顯示加熱器表面溫度誤差在1℃以內(nèi)，在工作溫度條件下，隔熱屏內(nèi)、外側(cè)存在100℃左右的溫差。

碳纖維材料裹覆在支撐筒上，支撐筒的溫度和熱流密度分布直接影響到沉積產(chǎn)品的密度的均勻一致性，圖4 為支撐筒外表面熱流密度及溫度分布情況，從圖4 可以看出支撐筒外表面熱流密度及溫度分布比較一致，溫度分布圖與熱流密度分布形狀基本一致。 支撐筒外表面溫差小，符合設(shè)計(jì)要求，說明加熱器設(shè)計(jì)合理。

圖3 腔體內(nèi)壁溫度分布情況

圖4 支撐筒外壁溫度分布

圖5 支撐筒外壁熱流密度分布

圖6 隔熱屏外壁溫度分布情況

圖7 隔熱屏外壁熱流密度分布情況Fig.7 Heat flux distribution of outside insulation bucket

從圖6、7 中可以看出，由于隔熱屏的屏蔽作用，熱量只能從加熱器的上部和下部散發(fā)出去， 從隔熱屏中間輻射出去的熱量就相對(duì)較小， 在圖6、7 中表現(xiàn)為隔熱屏中間的溫度和熱流密度要比隔熱屏上、下部分要小。

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了丙烷氣體在氣相沉積爐中熱解的溫度數(shù)學(xué)分布模型，利用Abaqus 軟件模擬研究了丙烷氣體熱解時(shí)在筒狀物體沉積時(shí)的溫度和熱流量分布情況，結(jié)果表明：

（1）模擬計(jì)算結(jié)果表明，加熱器與支撐筒表面溫度一致，加熱器表面溫度誤差在1℃以內(nèi)，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度誤差也在±1℃，表明加熱器符合設(shè)計(jì)要求。

（2）由于隔熱屏的屏蔽作用，熱量只能從加熱器的上部和下部散發(fā)出去，隔熱屏中部溫度要比上低，因此在實(shí)際生產(chǎn)中要考慮溫差情況， 并采取相應(yīng)的措施來減少溫差，保證產(chǎn)品密度的一致性。

（3）支撐筒外表面溫度分布與熱流密度分布基本一致。