專(zhuān)利名稱(chēng)：金剛相碳管及其化學(xué)氣相沉積制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是細(xì)長(zhǎng)基材的鍍金剛相碳膜方法，采用的是化學(xué)氣相沉積技術(shù)。本發(fā)明特別涉及采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)來(lái)制造具有金剛相碳內(nèi)外壁的空心管(空心金剛管〕。
金剛相碳(以下簡(jiǎn)稱(chēng)金剛〕的化學(xué)氣相沉積是金剛在基材上沉積或生長(zhǎng)，從氣態(tài)的母體物質(zhì)開(kāi)始沉積。金剛化學(xué)氣相生長(zhǎng)領(lǐng)域的早期研究工作重點(diǎn)是讓很薄的薄膜在平面的基材上生長(zhǎng)。后來(lái)的研究已進(jìn)展到在非平面基材上的鍍膜(參見(jiàn)PW May et al，Proc 3rd Int Symp DiamondMeter，Honolulu 1993，Proceedings Volume PV93-17，ed.J P Dismukesand KV Ravi(Electrochem Soc Pennington，NJ)，P1036)。該領(lǐng)域的進(jìn)展包括制造金剛鍍膜的金屬絲(如，CU、Ti和W)和空心金剛管的成型，其方法是在成型后接著就用腐蝕法除去絲狀基材。但是，由于腐蝕長(zhǎng)絲的困難，通過(guò)腐蝕法來(lái)制造長(zhǎng)空心管的工作嚴(yán)重受阻。
用金剛在SiC絲上和陶瓷絲上鍍模的工作也是大家所熟知的(分別參見(jiàn)PW May et al ibid and，PW May et al，Journal of Materialsscience Letters，13，P247-249，1994)。
這類(lèi)絲材適于摻進(jìn)要求其為基本上不傳導(dǎo)的復(fù)合材料中。
按照本發(fā)明，在其表面經(jīng)過(guò)處理以便形成金剛核晶中心的細(xì)長(zhǎng)基材上鍍金剛膜的方法包括如下步驟1.將細(xì)長(zhǎng)的材料纏繞成基本上的螺旋幾何形，其中，螺旋絲的間距小于螺旋絲的直徑。
2.通過(guò)化學(xué)氣相沉積法使金剛沉積在細(xì)長(zhǎng)的基材上，將它包住，使沉積在螺旋絲鄰近的縫隙中的金剛的生長(zhǎng)表面熔融，使螺旋絲的縫隙閉合，形成空心金剛管。
適用的細(xì)長(zhǎng)材料是那些預(yù)成型后能保持螺旋幾何形的材料。典型的材料是W、Cu、Mo和Si等金屬，眾所周知，這類(lèi)金屬材料在金剛化學(xué)氣相沉積室的氣態(tài)環(huán)境中基本上是不會(huì)起反應(yīng)的。但是，其它材料，如，能與金剛化學(xué)氣相沉積氣體的母體起反應(yīng)的金屬(例如，鋼)也適用于金剛化學(xué)沉積法，其方法是，在進(jìn)行預(yù)處理使其形成核晶中心之前，在反應(yīng)性材料表面沉積一層抑制阻隔層。選用合適的細(xì)長(zhǎng)材料將會(huì)使這種材料在空心金剛管內(nèi)起到增強(qiáng)構(gòu)件的作用。
雖然采用燃燒炬法的常壓CVD工藝〔例如，等離子弧噴嘴和氧乙炔炬)可以和合適的基材溫度調(diào)節(jié)裝置一起使用，以防止基材的加熱溫度超過(guò)1000℃，但在壓力低于40Torr的真空室中進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積法仍然是優(yōu)選的方法。
在CVD室中對(duì)細(xì)長(zhǎng)材料進(jìn)行鍍膜過(guò)程中，重要的是，材料要均勻地浸沒(méi)在反應(yīng)氣體中。典型的作法是在一個(gè)長(zhǎng)絲反應(yīng)器中完成上述鍍模，該長(zhǎng)絲要垂直放置，并將細(xì)長(zhǎng)材料與長(zhǎng)絲平行地掛起來(lái)(或讓細(xì)長(zhǎng)材料平行地通過(guò)長(zhǎng)絲反應(yīng)器，以便進(jìn)行連續(xù)處理〕，細(xì)長(zhǎng)材料與長(zhǎng)絲之間的距離約為5×10-6m。在這種設(shè)備中，對(duì)于尺寸[與材料細(xì)長(zhǎng)軸(絲狀材料的徑向軸)成正交的軸尺寸]小于200×10-6m的材料來(lái)說(shuō)，很容易得到均勻的金剛沉積物。尺寸大于200×10-6m的材料會(huì)出現(xiàn)陰影效應(yīng)，若將該材料置于該設(shè)備的長(zhǎng)絲盤(pán)管內(nèi)，就可克服這種效應(yīng)。
在材料表面形成核晶中心的典型方法包括用金剛砂那樣的磨料來(lái)研磨，或?qū)⒓?xì)長(zhǎng)材料通過(guò)粒度為1-3×10-6m的金剛砂漿液。將熱的鎢絲從一個(gè)金剛模頭中拉過(guò)來(lái)制造鎢絲則可使其內(nèi)部形成核晶中心。
為了按照本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施方案來(lái)制造獨(dú)立的(free standing)金剛管，要成型的細(xì)長(zhǎng)材料必須有足夠大的間距，以便在沉積的金剛生長(zhǎng)表面“熔融”之前能均勻地沉積在細(xì)長(zhǎng)材料的整個(gè)表面上。因此，在采用如下所述螺旋幾何形細(xì)長(zhǎng)材料時(shí)，按照本發(fā)明的方法所沉積的金剛將會(huì)均勻地在細(xì)長(zhǎng)材料的任何特殊部位生長(zhǎng)，使螺旋絲的間距逐漸縮小。當(dāng)沉積金剛連續(xù)生長(zhǎng)的時(shí)間足夠長(zhǎng)，螺旋絲間距的平面上每個(gè)生長(zhǎng)面都緊接在一起，致使金剛表面熔融時(shí)，螺旋絲的間距就會(huì)閉合。
金屬絲狀細(xì)長(zhǎng)材料的螺旋間距大于絲直徑的兩倍，這是典型的。如果螺旋絲間距比上述標(biāo)準(zhǔn)小，管的內(nèi)壁上將會(huì)有部分裸露的細(xì)長(zhǎng)材料。在制造本發(fā)明的空心金剛管時(shí)，細(xì)長(zhǎng)材料的間距也需要小于細(xì)長(zhǎng)材料的螺旋絲直徑。這就可以確保制造出來(lái)的是空心管而不是封閉管。按照本發(fā)明實(shí)施方案制造的空心金剛管的具體內(nèi)外徑和壁厚將取決于細(xì)長(zhǎng)螺旋絲的間距，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，這是顯而易見(jiàn)的。用這種方法制造獨(dú)立空心金剛管時(shí)，不需要象現(xiàn)有技術(shù)所描述的那樣用腐蝕方法除去其中的基料，其優(yōu)點(diǎn)是在金剛管內(nèi)起到增強(qiáng)作用，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，這也是顯而易見(jiàn)的。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員也將清楚，本發(fā)明的管子可用作導(dǎo)熱性能良好的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)組件，或選擇用來(lái)為小型裝置傳送冷卻劑。
現(xiàn)在僅舉例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。
將經(jīng)適當(dāng)預(yù)處理的細(xì)長(zhǎng)絲材，例如鎢，纏在一個(gè)堅(jiān)固的圓柱形成卷模子上。適合的成卷模子包括另一段鎢絲或一段的SiC纖維。適合的成卷模子直徑為10至200×10-6m。纏繞細(xì)長(zhǎng)材料以后，纏繞細(xì)長(zhǎng)材料的脫模方法能使制得的盤(pán)絲很容易從模子上脫下來(lái)。
將螺旋絲狀細(xì)長(zhǎng)材料排列在標(biāo)準(zhǔn)的熱長(zhǎng)絲反應(yīng)器中，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法使金剛沉積。在靜態(tài)的細(xì)長(zhǎng)材料鍍膜時(shí)，CVD室中排列的材料必須垃緊和固定好。在排列細(xì)長(zhǎng)材料時(shí)，借重力拉緊或掛上彈簧就可作到這點(diǎn)。
CVD室通常是適合于在幾十托下操作的真空室。除加熱外的其它活化形式包括放電、射頻、或微波等離子體、聚焦激光束和燃燒法。典型的氣體混合物包括含過(guò)量氫的烴類(lèi)。適用烴類(lèi)的例子包括，如甲烷、丙酮、乙炔和乙醇，常用的烴/氫比約為1％∶99％。為了提高生長(zhǎng)速率還可任選地加入其它氣體。適用的添加氣包括氧或CF4。按照這種標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)氣相沉積法，也可以往氣體混合物中添加BCl3，以便涂布(p-doping)生長(zhǎng)的金剛。
將細(xì)長(zhǎng)材料加熱至適當(dāng)溫度，典型的是700℃以上。通常是由一個(gè)獨(dú)立的加熱器單元來(lái)加熱或由一種氣體活化源〔例如，等離子體或熱絲的輻射熱〕來(lái)加熱。
生長(zhǎng)速率會(huì)隨熱的輸入量而變化。典型的生長(zhǎng)速率約為1-4×10- 6m/hr，但據(jù)引證，用100KW微波系統(tǒng)，可使生長(zhǎng)速率達(dá)50-100×10-6m/hr。生長(zhǎng)速率還將取決于具體采用CVD方法時(shí)的許多其它因素，這將是本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的。但是，如果真空室的壓力為20Torr，氫氣流速為200sccm，甲烷流速為2sccm，鉭絲加熱至約2000℃，鎢絲加熱至約900℃，熱絲與細(xì)長(zhǎng)材料之間的典型間距保持為5×10-6m，生長(zhǎng)速率就可達(dá)1×10-6m/hr。
權(quán)利要求
1.一種細(xì)長(zhǎng)基材的金剛鍍膜方法，該基材的表面經(jīng)預(yù)處理以形成金剛核晶中心，該方法包括如下步驟(i)將細(xì)長(zhǎng)材料纏繞成基本上的螺旋幾何形，其中，螺旋絲的間距小于螺旋絲的直徑，和(ii)通過(guò)化學(xué)氣相沉積法使金剛沉積在細(xì)長(zhǎng)的基材上，包裹住該細(xì)長(zhǎng)基材，讓沉積在鄰近的螺旋絲縫隙中的金剛的生長(zhǎng)表面熔融，以便使螺旋絲的縫隙閉合，形成空心的金剛管。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，該細(xì)長(zhǎng)材料選自鎢、銅、鉬和硅。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，細(xì)長(zhǎng)材料能與金剛化學(xué)氣相沉積的母體物質(zhì)起反應(yīng)，在其外表沉積有一層抑制阻隔層。
4.按照權(quán)利要求1-3中的任一方法，其中，該細(xì)長(zhǎng)材料是具有基本上圓形橫斷面的金屬絲。
5.權(quán)利要求4的方法，其中螺旋絲的間距大于金屬絲的直徑的兩倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法生產(chǎn)的空心金剛管。
全文摘要
一種采用化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)使金剛生長(zhǎng)以制造空心金剛管的方法。將合適的基材，典型的是絲材，如具有金剛核晶中心的鎢、鉬、銅或硅的絲材制成螺旋絲，然后將螺旋絲置于或通過(guò)CVD室，讓金剛沉積在螺旋絲上。設(shè)定合適的螺旋絲間距和直徑使金剛沉積在螺旋絲上，直至金剛的生長(zhǎng)表面熔融，形成空心的金剛管。
文檔編號(hào)C23C16/44GK1157641SQ9519496
公開(kāi)日1997年8月20日 申請(qǐng)日期1995年7月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月18日
發(fā)明者P·G·帕特里奇 申請(qǐng)人:大不列顛及北愛(ài)爾蘭聯(lián)合王國(guó)國(guó)防大臣