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沉积表面粗糙度对热解碳组织结构的影响。 张守阳李贺军唐松 (西北工业大学碳，碳复合材料研究所，西安710072) 摘要本文详细分析了等温cVD法在不同粗糙度的表面沉积的热解碳的组织，主要对组织类 型及微观形貌特征作了详细描述，并且分析了组织形成的机理，首次指出热解碳的反复成核和 生长机理。用偏光显微照片中的热解碳组织与断口SEM形貌作对比，证明了反复成核生长机 理的实际存在。 关键词碳碳复合材料，化学气相沉积，光滑层，粗糙层，各向同性 1前言 由化学气相渗透(CVI)制备C／C复合材料中，所形成的热解碳的组织结构是影响材料性 能的关键因素，一般认为CIC复台材料中的热解碳的组织有三种：光滑层、粗糙层、各向同 性层I”。关于这三种组织的形成机理，目前尚无统一的明确解释，但—般认为热解碳在沉积时 耍经过成核和生长两个阶段阁，因此沉积表面的形貌就不可避免地会影响形成的热解碳的组织 或形貌，本文针对热解碳形成过程中的成核生长过程．讨论沉积表面粗糙度对热解碳成核生长 的影响，探讨表面几何因素对热解碳组织结构形成的作用，从—个坝口面揭示影响热解碳组织结 构形成的一个因素，进而用相变理论分析得出符合物理化学基本原理的沉积机理。作为对现有 的沉积机理理论的补充。 2实验部分 1)设备：自制等温CV]炉； 用 2)材料：三种不同表面租糙度的石墨，分别是：l’：用20矿砂纸打磨处理表面；24： 70呐抄纸打磨处理表面；34：抛光处理。 4)前驱体气体：丙烯，采用氮气稀释。 3结果与讨论 3．1 三种表面上沉积的热解碳组织特征 圈1所示为三种不同粗糙度的表面上沉积的热解碳的偏光显微组织，放大倍数相同，从 ‘本研究得到国家自然科学基金和国防基金资助 b c a 图1不同粗糙度的石墨表面的热解碳组织偏光照片 a为3榱面的热解碳；b为2#表面的热解碳：c为1#表面的热解碳 图中所显示的三种热解碳片层内的组织结构来看，主要存在如下的共同点和不同点： 3．1．1共同点： (1)沉积速率相同，由图l知三种片层厚度相近，而且图中显示每个片层内都存在两条 较明显的条带，这是停炉后再沉积时形成的界面，这说明三种片层内沿高度方向都明显可以划 分为三个沉积阶段，即以每次停炉作为划分沉积阶段的标准。从图中可以看出无论以任何—个 沉积阶段作为对比范围，三种表面在任何—个沉积阶段内所沉积的热解碳的厚度都相近，说明 三种表面上在任何阶段的沉积速率都基本相同。 (2)从图1中可以明显看出三种热解碳片层均为租糙层组织· 31．2不同点： 从图1中所显示的三种热解碳片层内组织特征可以看出：其区别主要反映在各自粗糙锥 的大小不同，而且初始沉积阶段所形成的组织形状略有不同。对比I。和3。两种片层组织的区 别可以更加明显地得出结论。 在抛光石墨表面沉积的热解碳(3。)具有如下特点： (1)生长锥普遍较小； (2)在沉积初期，首先形成若干细小的棒状生长结构(如图中生长锥的下端)·还有一 些已呈现出类似于粒状堆积的结构。 在200一砂纸打磨表面上所沉积的石墨片(18)层结构中可啦看到如下特点： (1)随表面相糙度的增大，生长锥变大； (2)在沉积初期，没出现小棒状或类似于粒状堆积的结构。 3．2三种表面状态下沉积的热解碳的显微形貌 为了对比不同表面粗黻对热解碳生长的影响，选取两种石墨表面上沉积的热解碳(抛 光表面和200砂纸打磨表面)进行扫描电子显微分析，图2为两种表面上沉积80小时所≠饿 的热解碳的扫描电子显微形貌： 懑搭辚j黪 ．一，一÷．j蠢j江o～学 燃萋 。：冬‘擘：毒≤爰■，_： 孽蠹琴童誊豢j≥◆≤ 麟≮警够萎 —_■■■■■■L l ÷7@。?‘厂一。