基于CFD的CVD布气装置模拟与优化设计

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第40卷第3期2014年6月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPULSIONV01．40．№．3Jun．2014基于CFD的CVD布气装置模拟与优化设计王毅，杨晓辉，白龙腾(西安航天动力研究所，陕西西安710100)摘要：采用流体力学有限元模拟方法，对化学气相沉积(CVD)设备系统内流场进行模拟分析，得到平板布气装置中孔径尺寸、孔径分布与预制体局部流场之间的关系，由此优化设计了布气装置，提高了CVD设备布气的均匀性和稳定性。关键词：CFD；布气装置；CVD中图分类号：V258+．3—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(2014)03—0046—06OptimizationdesignofgasdistributorforCVDreactorbyCFDsimulationWANGYi，YANGXiao-hui，BAILong-teng(Xi’anAerospacePropulsionInstitute，Xi’an710100，China)Abstract：ThesimulationanalysisonflowfieldintheCVD(chemicalvapordeposition)reactionchamberwasperformedwithcomputationalfluiddynamics(CFD)finiteelementsimulationmethod．Therelationshipoftheporesizeandporedistributionofthegasdistributorwithlocalflowfieldintheprefabricatedbodywasobtained，bywhichthedesignofthegasdistributorwasoptimized，andtheuniformityandstabilityoftheflowfieldinthereactorwereimproved．Keywords：CFD；gasdistributor；CVD0引言化学气相沉积(chemicalvapordeposition，CVD1工艺能够在较低温度下完成材料制备，并能实现材料在微观尺度上按照设定的化学成分计量比进行生长，广泛应用于功能材料的制备领域。采用CVD工艺制备的SiC陶瓷和C／SiC复合材料在高温下强度和韧性高、耐腐蚀性好、密度低，是高温结构材料之一，在航空航天领域应用前景广阔㈣。CVD工艺参数有：气流场、温度场、压力、流速、预制体形状、预制体摆放位置等，其中CVD反应器内部流场的均匀性对CVD沉积产物表面质量和最终形态影响较大。本文利用CFD技术模拟计算布气装置对CVD反应器内流场的影响，根据模拟计算结果优化设计用于CVD设备的布气装置。收稿日期：2014—01—21；修回日期：2014—02-28作者简介：王毅(1981一)，男，博士，研究领域为陶瓷基复合材料制备技术 第40卷第3期王毅，等：基于CFD的CVD布气装置模拟与优化设计471建立布气系统气流分布数学模型1．1建立模型CVD工艺过程化学、物理变化比较复杂，基本化学反应过程是载气(n2)通过“鼓泡”的方式将液态先驱体一甲基三氯硅烷(CH3SiCl，，MTS)，带人到反应器内，同时通人平衡气体Ar，在一定的工艺条件下MTS在预制体表面发生(1)式所示的化学反应，由此在预制体表面沉积生成SiC层。CH3SiCl3蛐+excessH蛐950-1200oCSiC(s)+3HCl(自+excessH2(自(1)实际应用的CVD反应器的反应过程和流体环境比较复杂，为了确定布气系统气流分布数学模型的边界条件，必须对真实的CVD反应器进行理想化处理，理想的CVD反应器应具备以下条件：1)反应物气体边界层均匀，各处沉积速度和沉积厚度一致；2)不存在回流，控制气体在反应器内的停留时间，减少非理想产物的形成；3)气流在预制体表面形成层流，气体在预制体孑L隙网络内扩散传质|3'7‘10l。反应器内部的气体流动状态比较复杂，属于典型的层流现象，其中还包括多种气体混合、反应气体和生成气体的扩散与对流、相应的物理化学反应等现象。建模时需要做以下假设：1)反应器中的混合气体看作是一种理想气体；2)气体流动为定常不可压缩流，即CVD过程为稳态过程，气流状态与时间无关；3)忽略化学反应、浓度变化以及浓度变化所引起的自然对流和重力变化：4)不考虑气体在构件内部的扩散问题，即气体仅在反应器中流动，把构件假定成没有气体通过的实心体；5)反应器为圆柱型，在流场中异型构件为轴对称几何形状，考虑到计算的准确性和ANSYS—Fluent软件的适用性，对模型进行二维简化。根据上述假设，反应器中二维不可压缩流的连续性方程和运动方程如下111-121：一O轧u．+誓=0(2)oxo～iL粤+秽望：一上里堆f粤+粤)(3)——十秽_一=一——_一十正‘I——i一1．-厂JIjJ毗OyPOx。＼Oxav7u粤切望：一上里堆f粤+萼1(4)OU——十口——=一———L十“l—亍一t——丁lI斗IdzyPOy’＼Ox‘av。／‘。式中：iL和秽为混合气体在Y方向上的速度分量；P为压力；P为混合气体密度；／．t为混合气体的粘度系数。1．2网格划分及边界条件的确定CVD反应器模型如图1所示。反应气体从进气口(gasinlet)进入缓冲腔(bufferchamer)，通过布气板(gasdistributor)将反应气体均匀地送入沉积区，在预制体表面(悬空于腔体内，未在图中标出)反应得到涂层，未反应的气体和反应副产物通过出气孑L(gasoutlet)排出反应器外。图1沉积反应器立体模型Fig．1Stereomodelofdepositionreactor模型为轴对称形状，为简化计算，可计算经过人口一出口截面的流场，该截面可反映出模型流场分布情况。对反应室内计算区域划分非结构网格，并定义边界。对流场内结构参数梯度变化较大的地方如布气板附近、沉积基体附近等区域，利用网格自适应功能进行局部加密。其截面网格划分如图2所示。在CVD反应器流场模型中，主要流动介质是进人反应器的混合气体以及反应生成的气体产物。控制方程的边界条件为：1)人口处的径向速度为0m／s，根据管径、流量估算值，设定其轴向速度的平均值为1m／s；2)定义反应器器壁、构件边界及其内部挡板为无滑移边界条件，各方向 48火箭推进2014年6月流速分量值均为0m／s；3)出口边界取相对压强为0Pa，相对于系统出口处的压强为2．5kPa(取实际CVD反应器出口处的压力值)。反应器内部混合气体可近似看成是H：，Ar，MTS以及HCl混合成的理想气体，其混合气体的粘度和密度值分别为0．5079x104Pa·s和23．82x10。3kg／m3。在等温CVD过程中，针对MTS—H：(沉积SiC陶瓷材料)体系，反应器113-161的器壁上温度恒为工艺温度l273K。根据粘度、截面平均速度、特征长度计算反应器内流体雷诺数尺e来判断反应器内流体类型，计算公式如下：尺e：也旦．f51肛一式中：P为流体密度；u为平均流速；d为管道直径；肛为动力粘性系数。结合上述密度、流速及反应器尺寸数据计算可知，Re一328，远小于工程上常用的下临界雷诺数(Re。r)2000。反应气体为层流，需要采用层流模型进行计算M。图2沉积腔体界面网格划分Fig．2Meshgenerationofdepositionreactor2数值模拟结果与分析2．1布气板中心开孔、入口气体流速1m／s下对反应器内流场的影响图3为布气板中心开孑L(直径与入气孔相同，为20mm)、流速lm／s情况下反应器内流场流速分布情况。由图可见，在反应器轴向方向反应气体流速明显较快，而在预制体局部流速则明显下降，同时出现流速不均、回流现象。|篡：E：E三渊麟。≮i鸷JI溢鑫慧。lIIII■UIIIIIII习誊。勰lb)预制体岗边局部流速分布图3布气板中心开20him孔、入口流速1nffs情况下流速分布Fig．3Velocitydistributionofgasdistributorwith20mnlporeincenterandflowvelocityof1m／satinletinCVDreactor将预制体周围局部流场放大(见图3(b))。由图可见，反应气体快速从预制体外侧靠近轴心方向通过，而在预制体内部流速明显下降。预制体靠近中心处流速快，反应气体浓度大，远离中心区域流速下降，反应气体浓度较低。为了在预制体表面得到均匀致密的SiC涂层，要求反应气体尽可能具备稳定、均匀的层流流动，而如果布气板中心位置开孔，会导致反应器内部轴向气流速度过快，使预制体附近无法得到合适的反应气体。因此，这种流场分布不利于在预制体表面形成均匀致密的SiC涂层。 第40卷第3期王毅，等：基于CFD的CVD布气装置模拟与优化设计492．2布气板中心无孔、孔均布状态下孔径对内流场流速的影响2．2．1孔径5mm，入口处气体流速1．0m／s由图4(a)可见，在布气板中心无孔的情况下，反应器轴心区域的反应气流的速度明显较开孔状态下下降，同边缘区域流速差距不大，且没有明显回流等现象，提高了反应器内部流场的均匀性。进一步分析预制体周边局部流速分布(见图4(b))可见，预制体内部气流流速较外部略低，在喉部存在较大的反应气体聚集，这与预制体的形状相关。同中心开孔的布气板相比，内流场均匀性明显提高，有利于在预制体内外表面得到均匀致密的SiC涂层。结合实际生产情况来看，开孔直径不宜过小，如果布气板上孑L径过小，在沉积过程中通孑L很容易被反应副产物填充，导致进气不畅，反而影响实际流场的均匀性。辫i麟，i—ta山。。二dd‘ii0流速分布(b)预制体周边局部流速分布图4布气板中心无孔、入口流速1m／s、孑L径5mnl、均布情况下流速分布Fig．4Velocitydistributionofgasdistributorwithflowvelocityof1m／satinletandporesizeof5lnln，butwithoutporeinthecenter2．2．2孔径10mm、入口处反应气体流速1．0m／s图5为将布气板上开孔直径调整至10mm后的内流场分布情况。同5mm开孑L情况相比，内流场总体上仍表现出较为均匀的流速分布(见图5(a))，轴心处同其他区域流速差异并不明显。进一步分析预制体周围局部流速的分布情况(见图5(b))可见，同5mm开孔相比，预制体周边流速较快，但没有明显滞留区域，在预制体喉部反应气体流速加快，这与预制体在喉部呈现收敛的形状有关。总体上流速保持稳定，预制体内外均未发现回流、乱流情况，说明内流场均匀稳定，有利于沉积出致密、均匀的SiC涂层。蝴黪血d“盔；i江j：一闷妒(a)宏观流速分布(b)预制体周边局部流速分布图5布气板中心无孑L、入口流速lm／s、孔径10mill、均布情况下流速分布Fig．5Velocitydistributionofgasdistributorwithflowvelocityof1m／satinletandporesizeof10mm，butwithoutporeinthecenter—■熏譬蕊■■●-观[|“=二＼2c戗r-∽蜘o∞叭叫¨叭们∞由I，／，=====～∽，一?心∥∥¨■●雾蒌●●■-●-■，¨_一一，㈠．．，．==I 50火箭推进2014年6月2．3布气板结构对SiC沉积形貌的影响根据CFD理论计算结果，优化设计了布气板，采用优化设计后的布气板完成了SiC涂层沉积工艺试验，并对布气板改进前后所沉积的SiC涂层形貌进行了对比(见图6所示)。布气板结构改进后，SiC涂层的显微形貌发生了较大变化。采用中心开孑L的布气板，相同工艺制备的SiC涂层中SiC涂层存在较为明显的孑L隙，颗粒粗大。而采用CFD辅助设计改进的布气板，制备的SiC涂层，颗粒明显光滑，且颗粒问孔隙较小，涂层致密。(j)}斗一．L、九{’L、0’LftJ0tfill]』匀，_JmLⅣi_[fRSiCi余』二：图6改进布气板前后同一反应器内SiC涂层沉积情况对比Fig．6Depositionqualitycomparisoninthesamereactorbeforeandafterimprovementofgasdistributor3布气板设计准则通过CFD模拟，得到的CVD设备用布气板设计准则是：1)布气板中心无孔，以避免反应器轴心气流速度过快，工件附件反应器流速不足，浓度下降；2)布气板孔径均布，孔径应在CFD计算基础上适当扩大，以免过细孔径遭到堵塞；3)布气板设计原则是必须降低反应器内回流现象，使工件表面的反应气体尽可能为层流，工件表面各处流速差异越小越好。图7为布气板结构设计示意图。布气板，心无孔缓冲腔图7布气板(含缓冲腔)结构示意图Fig．7Structuraldiagramofgasdistributorwithbufferchamber4结论采用CFD方法，对布气装置开孔位置和孔径对CVD—SiC反应器内流场的影响进行了有限元模拟分析，优化设计了布气装置，提高了CVD设备布气的均匀性和稳定性。研究获得如下结论：1)布气板中心开孑L会导致反应器轴心区域流速过快，影响预制体表面层流稳定性及预制体表面涂层质量。2)在布气板中心无孔的情况下，开孔直径较小有助于提高反应器内部流场均匀性，但不宜开孔过小，过小的孑L径在沉积过程中易被沉积产物堵塞。开孑L直径10mm较好。3)采用CFD模拟计算技术，可有效模拟布气板结构对CVD沉积SiC的影响，因此在使用新的反应器前，应针对布气板设计、工件摆放等多种情况展开CFD模拟计算，以确定最佳的反应器设计。 第40卷第3期王毅，等：基于CFD的CVD布气装置模拟与优化设计5l参考文献：【1]XUYong-dong，ZI-IANGLi-tong,CHENGLai—fei，etal，Microstructureandmechanicalpropertiesofthree-dimensionalcarbon／siliconcarbidecompositesfabricatedbychemicalvaporinfiltration[J]．Carbon，1998，36(7·8)：1051．1056．[2】CHENGLai-fei，XUYong-dong，ZHANGLi-tong，etai．Oxidationbehaviorofcarbon-carboncompositeswithathree—layercoatingfromroomtemperatureto1700oC[J】．Carbon，1999；37(6)：977—981．[3】XUYong-dong,CHENGLai-fei，ZHANGLi—tong．Car-bon／siliconcarbidecompositespreparedbychemicalvaporinfiltrationcombinedwithsiliconmeltinfiltration[J】．Carbon，1999，37(8)：1179-1187．【4】LANGLAISF，LOIMAGNEF，LESP认UXD，eta1．KineticprocessesintheCVDofSiCfromCH3SiCl3-H2inaverticalhot-wallreactor[J]．JournalDePhysiqueIV，1995(5)：105-112．[5】徐永东，张立同．常压化学气相沉积SiC的组织结构及其稳定性[J】．航空学报，1997，18(1)：123．126．【6】何新波，张长瑞．碳纤维增强碳化硅复合材料的力学性能与界面[J】．中南工业大学学报，2000，31(4)：342．345．【7】MIZUNOY，UEKUSAS．AnalysisofreactiongasesflowinCVDprocesses[J】．MaterialsScienceandEngineering：B，1995，35(1／3)：156-159．[8】MURALIDHARV，ESWARANVK，WADHAWAN．Modellingoftransportphenomenainalow-pressureCVDreactor[J】．JournalofCrysmlGrowth，2004，267(3／4)：598-612．【9】KOMMUSB，KHOMAMIP．Simulationofaerosoldy-namicsandtransportinchemicallyreactingparticulatemauerladenflows．PartII：ApplicationtoCVDreactors[J】．ChemicalEngineeringScience，2004，59(2)：359—371．f10]WEIXi，CHENGLai-fei，ZHANGLi·tong，eta1．Nume-ricalsimulationforfabricationofC／SiCcompositesinisothermalCVIreactor[J]．ComputationalMaterialsSci·ence，2006，38(2)：245-255．[1l】陈晋，徐永东，曾庆丰，等．CVI反应器内部气体流场的有限元模拟及优化设计[J】．航空材料学报，2006，26(5)：86-90．【12】肖鹏，熊翔，黄伯云．化学气相浸渗反应器内气体流场的数值模拟[J】．中南大学学报：自然科学版，2005，5(5)：1-5．[13】薛海鹏，卢文壮，沈飞荣，等．模具法制备CVD金刚石热沉片的温度场与流场研究【J】．人工晶体学报，2012，41(4)：877-882．[14】黄绍江，谢红希，侯惠君，等．等离子体化学气相沉积的布气装置之设计[J】．广东有色金属学报，2002，12(1)：21．25．【15】王成刚，李桂琴，陆利新，等．增强型等离子化学气象沉积炉均匀布气研究[J】．计算机仿真，2010，27(6)：122．125．[16】金捷，朱红萍，王成刚．PECVD布气装置气流场的模拟分析[J】．现代制造工程，2012(12)：93．96．【17】姚连增．晶体生长基础【M】．合肥：中国科学技术大学出版社．1995．(编辑：王建喜)