碳碳復(fù)合材料快速沉積爐溫度場仿真分析

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， 對硅單晶、多晶生長設(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爐正在向大型化、自動化的方向發(fā)展。 硅單晶生長爐隔熱保溫筒、坩堝、發(fā)熱體等熱場系統(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，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)合材料熱場產(chǎn)品壽命非常長，在性價比方面有非常大的優(yōu)勢[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)， 也不會導(dǎo)致整個C/C 復(fù)合材料熱場損壞。 而目前普遍使用的三瓣石墨坩堝，隨著使用時間增長，三瓣之間的間隙會逐漸增大，安全性和可靠性會越來越差。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。

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， 對發(fā)展大型硅單晶生長設(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)備原理圖和首臺試驗(yàn)設(shè)備。

2 傳熱計算及系統(tǒng)仿真

圖1 設(shè)備原理圖

2.1 傳熱計算

腔體中的傳熱是幅射與對流同時作用， 總的傳熱流量等于輻射傳熱與對流傳熱流量之和，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，主要包括三個方面，一是爐壁與外循環(huán)水之間的熱交換；一個為充氣過程中，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，分析整個腔室溫度分布情況，水冷套對整個溫度梯度的影響情況， 沖氣流量及溫度對沉積溫度的影響區(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， 將整個腔體和加熱保溫系統(tǒng)簡化為二維熱輻射模型[9]，有限元模型主要包含以下幾個部分：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)定一個初始的溫度分布為室溫25℃（初始分析步initial），穩(wěn)態(tài)時水冷爐外壁溫度為40℃，分析步中Time period 為1800，在時間積分計算瞬態(tài)傳熱過程選項(xiàng)卡中， 設(shè)定時間積分精度參數(shù)為5，來控制求解精度。 根據(jù)最小時間增量準(zhǔn)則來確定最小可用時間增量步設(shè)置：

圖2 簡化模型

其中：△t=0.01：時間增量；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)計要求，說明加熱器設(shè)計合理。

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在筒狀物體沉積時的溫度和熱流量分布情況，結(jié)果表明：

（1）模擬計算結(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)時三個測溫點(diǎn)的溫度誤差也在±1℃，表明加熱器符合設(shè)計要求。

（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。