張建輝 宋銀超 夏文莉

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310018)

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低溫各向同性熱解炭性能和結(jié)構(gòu)變化

張建輝*宋銀超 夏文莉

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310018)

研究低溫各向同性熱解炭密度、顯微硬度和孔隙結(jié)構(gòu)隨沉積條件的變化規(guī)律。用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流化床化學(xué)氣相沉積(FBCVD)工藝制備低溫各向同性熱解炭，并采用密度計(jì)、顯微硬度計(jì)、掃描電鏡、透射電鏡、壓汞儀等分析熱解炭材料的密度、顯微硬度、孔隙結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：隨著沉積溫度和丙烷氣體濃度的升高，熱解炭的密度和顯微硬度逐漸降低，沉積溫度和丙烷氣體濃度能夠顯著影響熱解炭的形貌和孔隙，進(jìn)而影響熱解炭的密度和硬度；相似密度熱解炭的孔隙結(jié)構(gòu)也不相同，高密度熱解炭的孔隙主要是由生長特性間的孔隙組成，這些孔隙的多少對高密度熱解炭的密度有較大影響，沉積條件為中低沉積溫度(1 250～1 350℃)和中低濃度丙烷氣體(25%～40%)得到的各向同性熱解炭結(jié)構(gòu)均勻，孔隙較少，密度較高，硬度較大。

熱解炭；化學(xué)氣相沉積；沉積條件；密度；孔隙結(jié)構(gòu)

引言

碳?xì)浠衔镌诘陀? 500℃下熱分解，在氣體流化床中，于熱基體表面通過脫氫作用沉積的產(chǎn)物，就是低溫?zé)峤馓?。低溫?zé)峤馓坑捎趶澢鷱?qiáng)度大、彈性模量低、良好的耐磨性和化學(xué)惰性，以及在一定限度內(nèi)可以通過變化它的密度從而改變其熱膨脹系數(shù)等特性，特別適用于涂層材料[1]。而低溫各向同性熱解炭由于具有抗血凝性以及優(yōu)良的血液相容性等性能，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用，如人工心瓣[2-6]。熱解炭在采用流化床化學(xué)氣相沉積的過程中，隨著沉積條件的變化，所獲得的熱解炭雖然是各向同性炭，但是其微觀結(jié)構(gòu)可能有很大差異[7-8]。目前，人們對于熱解炭材料的研究大多集中在單一沉積條件下獲得的熱解炭[6,9-13]，而低溫各向同性熱解炭到底是什么樣的各向同性炭，沉積條件的改變是如何影響材料微觀結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性能的，熱解炭材料組織結(jié)構(gòu)與性能特性之間有著怎樣的對應(yīng)關(guān)系還鮮為人知。

密度、硬度和孔隙結(jié)構(gòu)是熱解炭材料的重要參數(shù)，它們直接影響材料的耐磨性、彈性模量、斷裂強(qiáng)度等力學(xué)性能[14-16]。熱解炭密度的大小直接影響它是否能夠被大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用[17]，硬度的大小則是衡量該材料耐磨性能和機(jī)加工難易程度的重要指標(biāo)[11]。炭材料的孔結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，在實(shí)際應(yīng)用中，孔的大小很重要[18]。熱解炭孔隙的大小隨著熱解炭結(jié)構(gòu)的不同而呈現(xiàn)出不同的特征，這在一定程度上影響了熱解炭的物理力學(xué)性能[14]。熱解炭的密度、硬度和孔隙結(jié)構(gòu)隨沉積條件的改變會(huì)出現(xiàn)什么樣的變化，以及孔隙結(jié)構(gòu)是如何影響熱解炭材料的物理力學(xué)性能依然不明確。

筆者利用流化床化學(xué)氣相沉積工藝，以丙烷為碳源氣體，在不同沉積條件下制備出低溫各向同性熱解炭材料，分析了不同沉積條件下制備的熱解炭的微觀結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性能的變化規(guī)律及其之間的關(guān)系，為國產(chǎn)人工機(jī)械心瓣的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料制備

采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流化床化學(xué)氣相沉積(FBCVD)工藝，原料分別采用濃度為25%、40%、 60%的丙烷(C3H8)為碳源，氬氣(Ar)作為稀釋和保護(hù)氣體控制丙烷的濃度，氧化鋯(ZrO2)顆粒作為熱載體并承托基體。將流化床爐分別加熱到1 250、1 350、1 450℃，通入保護(hù)氣體，待氣體流量穩(wěn)定后加入熱載體，爐內(nèi)產(chǎn)生流化床后，將石墨基體送進(jìn)流化床內(nèi)，基體和熱載體在流化爐內(nèi)不斷地做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)熱載體和基體達(dá)到一定溫度并穩(wěn)定后，從爐底通入一定流量的丙烷氣體，丙烷進(jìn)行熱分解反應(yīng)，生成的熱解炭沉積在基體表面，沉積過程中保持床層面積基本不變，沉積到一定厚度后停爐冷卻至室溫出爐[6]。采用線切割工藝將熱解炭涂層沉積試樣從石墨基體上剝離下來，經(jīng)打磨、拋光、清洗、表面涂蠟、機(jī)械減薄等處理后進(jìn)行試樣測試與分析。

1.2 試樣分析

利用AUW220密度計(jì)測量試樣的密度。將試樣進(jìn)行打磨拋光后，進(jìn)行表面涂蠟，利用HV-1000顯微硬度計(jì)測量試樣的顯微硬度。利用JSM-6460掃描電鏡(SEM)觀察試樣自然斷面形貌。將試樣經(jīng)機(jī)械減薄后，再進(jìn)行雙面離子減薄制成透射電鏡試樣，利用Tecnai G2 F30 S-Twin透射電鏡(TEM)觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)。利用Autopore IV 9500壓汞儀測量試樣的孔隙結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果

2.1 密度測量

圖1是熱解炭的密度隨沉積條件的變化曲線。從圖中可以看出，沉積溫度在1 250～1 450℃，丙烷氣體體積濃度在25%～60%時(shí)，熱解炭的密度在1.65～2.03 g/cm3之間變化。

圖1 熱解炭的密度隨沉積條件的變化曲線Fig.1 Density variation curves of pyrocarbon with deposition conditions

2.2 硬度測量

圖2是熱解炭的顯微硬度隨沉積條件的變化曲線。從圖中可以看出，沉積溫度在1 250～1 450℃，丙烷體積濃度在25%～60%時(shí)，熱解炭的顯微硬度在1.35～3.04 GPa之間變化。

圖2 熱解炭的顯微硬度隨沉積條件的變化曲線Fig.2 Microhardness variation curves of pyrocarbon with deposition conditions

2.3 掃描電鏡觀察

圖3是部分不同沉積條件下制備的熱解炭自然斷面形貌的掃描電鏡觀察結(jié)果。可以看出，沉積溫度在1 250～1 450℃、丙烷氣體體積濃度在25%～60%的范圍內(nèi)，均沉積得到了具有類球形顆粒狀結(jié)構(gòu)的各向同性熱解炭。然而，這些各向同性熱解炭的形貌和性能(密度和硬度)卻明顯不同。這些低溫各向同性熱解炭主要是由直徑為0.3 ～3 μm的類球形顆粒狀結(jié)構(gòu)組成，類球形顆粒狀結(jié)構(gòu)無取向地堆積在一起，整體呈現(xiàn)各向同性：類球形結(jié)構(gòu)之間程度不同地或由片層狀結(jié)構(gòu)相連、或以大小不一顆粒球狀形貌為主兼或相互融并，而且這些類球形顆粒狀生長特性之間有孔隙存在，孔隙直徑在0.1～2 μm之間。

圖3 不同沉積條件下熱解炭自然斷面掃描電鏡照片(A=孔隙)。(a)1 250℃，丙烷25%；(b)1 350℃，丙烷25%；(c)1 450℃，丙烷25%；(d)1 250℃，丙烷40%；(e)1 250℃，丙烷60%；(f)1 450℃，丙烷60%Fig.3 SEM images of pyrocarbon at different deposition conditions(A=pores).(a)1 250℃，C3H8 25%;(b)1 350℃，C3H8 25%;(c)1 450℃，C3H8 25%;(d)1 250℃，C3H8 40%;(e)1 250℃，C3H8 60%;(f)1 450℃，C3H8 60%

圖4 高密度熱解炭透射電鏡照片(A=孔隙；B=類球形生長特性邊緣)。(a)類球形顆粒狀炭結(jié)構(gòu)；(b)類球形顆粒結(jié)構(gòu)結(jié)合部位；(c)類球形顆粒內(nèi)部晶格條紋像 Fig.4 TEM images of pyrocarbon in high density(A=pores; B=boundaries of spherical particle).(a)Spherical structure;(b)The binding site of spherical particle structure;(c)The lattice fringe image

圖3(a)是在低溫、低丙烷濃度條件下沉積的熱解炭，類球形顆粒之間由片層狀結(jié)構(gòu)緊密相連，孔隙較小較少，結(jié)構(gòu)均勻致密，密度較高。圖3(b)是中溫、低丙烷濃度條件下沉積的熱解炭，與圖3(a)的結(jié)構(gòu)類似，類球形顆粒數(shù)目有所增加，但尺寸略有減小，結(jié)構(gòu)較致密，有一定孔隙。圖3(d)是低溫、中丙烷濃度條件下沉積的熱解炭，類球形顆粒間出現(xiàn)了類似于白菜葉狀的結(jié)構(gòu)，孔隙較多較大。圖3(e)是低溫、高丙烷濃度條件下沉積的熱解炭，主要由直徑小于2 μm的類球形顆粒組成，它們無取向地堆積在一起；沉積過程中形成大量的閉合氣孔，致使材料密度較低。從圖3(c)、(f)中可以看出，沉積溫度較高時(shí)，盡管熱解炭也由類球形顆粒和片層狀結(jié)構(gòu)相連，但形成了較多孔隙，而且孔隙間有炭黑生成，并隨著丙烷氣體濃度的增加，孔隙和炭黑數(shù)量也逐漸增多，結(jié)構(gòu)較為疏松，材料密度遞減。

2.4 透射電鏡觀察高密度熱解炭

圖4是沉積溫度為1 350℃、丙烷氣體體積濃度為25%的高密度熱解炭(ρ=1.94 g/cm3)的透射電鏡照片。從圖4(a)、(b)可以看出，高密度低溫各向同性熱解炭主要是由類球形顆粒結(jié)構(gòu)組成，類球形顆粒之間相互融并搭接的過程中會(huì)形成孔隙，孔隙直徑大都在1 μm以下，類球形顆粒之間的結(jié)合較為緊密。圖4(c)所示是類球形顆粒內(nèi)局部放大照片，可見熱解炭亂層結(jié)構(gòu)組織圍繞球中心以同心圓方式緊密排列成為鑲嵌體結(jié)構(gòu)，值得注意的是，亂層結(jié)構(gòu)組織之間幾乎沒有微孔存在[19-20]。

2.5 高密度熱解炭的壓汞實(shí)驗(yàn)

圖5是沉積條件為1 350℃、丙烷氣體體積濃度為25%的高密度(ρ=1.94 g/cm3)熱解炭孔徑分布曲線?？梢钥闯?，孔徑大于1.3 μm的大孔孔隙和小于50 nm的微孔孔隙較少，熱解炭孔徑分布主要集中在50 nm～1.3 μm之間，峰值為0.834 μm，這與同樣沉積條件下得到熱解炭試樣的掃描電鏡及透射電鏡觀察結(jié)果基本是一致的。

圖5 高密度熱解炭孔徑分布曲線Fig.5 Pore size distribution of pyrocarbon in high density

3 討論

3.1 熱解炭的密度和硬度

低溫各向同性熱解炭按密度大致可以劃分為高密度(ρ>1.8 g/cm3)和低密度(ρ<1.6 g/cm3)各向同性炭[19]。高密度各向同性熱解炭具有良好的力學(xué)性能，在實(shí)際應(yīng)用中使用較為廣泛，人工心瓣用熱解炭就是采用高密度低溫各向同性熱解炭[6,13]。

熱解炭涂層的的密度和顯微硬度是涂層質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中極為重要[21]。結(jié)合密度測量結(jié)果(見圖1)和顯微硬度測試分析(見圖2)可知，低溫各向同性熱解炭顯微硬度隨沉積條件的變化趨勢與密度的變化趨勢相似：沉積溫度在1 250～1 450℃、丙烷氣體體積濃度在25%～60%的范圍內(nèi)，隨著沉積溫度和丙烷氣體濃度的升高，熱解炭的密度和顯微硬度逐漸降低。對于中低濃度(25%～40%)的丙烷氣體來說，沉積溫度對熱解炭的密度影響更大，中高溫度(1 350～1 450℃)以及高濃度的丙烷氣體(60%)能夠顯著降低熱解炭的密度。在較低的沉積溫度(1 250～1 350℃)和較低的丙烷氣體體積濃度(25%～40%)條件下，均能夠沉積得到密度較高、硬度較大的各向同性熱解炭。

3.2 熱解炭的密度和孔隙結(jié)構(gòu)

低溫各向同性熱解炭的孔隙結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，既有類球形生長特性間的孔隙，也有生長特性內(nèi)因亂層結(jié)構(gòu)組織排列方式的不同而形成的微孔隙[19,22]。

熱解炭的顯微結(jié)構(gòu)與沉積條件的關(guān)系。對于低溫各向同性熱解炭的形成過程，一般都認(rèn)為是在氣相中產(chǎn)生的液滴沉積形成：碳?xì)浠衔镌谶M(jìn)入一定溫度的沉積爐后，經(jīng)過熱分解、脫氫、縮合形成大小不同的分子碎片，在氣相中出現(xiàn)過飽和，含氣液滴形成并沉入熱解炭涂層中。在低溫低濃度沉積條件下，碳?xì)浠衔镌跉庀嘀行纬傻恼承砸旱闻c線性分子均勻地散落在沉積基體上，由于沉積速率較低，其類球形顆粒生長特性間的孔隙逐漸被線性分子填充，形成均勻致密、孔隙較小較少的熱解炭(見圖3(a)、(b))；低溫高濃度沉積條件下，碳?xì)浠衔镌跉庀嘀行纬傻恼承砸旱闻鲎矌茁试黾涌沙浞稚L，形成較大的類球形顆粒無取向地堆積在沉積基體上，進(jìn)而形成大量類球形生長特性間的閉合氣孔(孔隙)(見圖3(e))，致使材料密度較低。高沉積溫度條件下，生成熱解炭的反應(yīng)速率快，氣相中形成的液滴來不及長大就落在沉積基體上，而持續(xù)快速沉積的碳顆粒也阻礙了已沉積的類球形顆粒的繼續(xù)生長，這就導(dǎo)致高溫條件下熱解炭類球形顆粒數(shù)量多、尺寸小，由于沉積速率很快，有些孔隙來不及填充就被覆蓋，從而產(chǎn)生較多的孔隙，而且隨著丙烷氣體體積濃度的增大，沉積過程中出現(xiàn)較大程度的過飽和，也導(dǎo)致快速形核，甚至產(chǎn)生了炭黑顆粒并填充在孔隙中(見圖3(c)、(f))。

低溫各向同性熱解炭的密度主要受孔隙結(jié)構(gòu)的影響[22]。在低丙烷濃度(25%)條件下，隨著沉積溫度的升高，類球形生長特性間的孔隙隨之變多變大(見圖3(a)～(c))；在低沉積溫度(1 250℃)下，隨著丙烷氣體濃度的升高，類球形生長特性之間的孔隙逐漸增多增大(見圖3(a)、(d)、(e))，這兩種情況下熱解炭的密度均逐漸降低(見圖1)。這說明生長特性間的孔隙能夠顯著影響高密度熱解炭的密度。通過掃描電鏡觀察、壓汞試驗(yàn)和透射電鏡觀察可以得知：沉積溫度為1 350℃，丙烷氣體濃度為25%沉積的高密度熱解炭的孔隙主要是由生長特性間直徑小于1 μm的孔隙組成，且0.8 μm左右的孔隙較多，小于50 nm的孔很少(見圖5)，其類球形顆粒內(nèi)部的亂層結(jié)構(gòu)組織排列方式為鑲嵌體結(jié)構(gòu)，生長特性內(nèi)的亂層結(jié)構(gòu)組織排列緊密，亂層結(jié)構(gòu)組織之間幾乎沒有微孔存在(見圖4(c))。由此可推斷，影響高密度熱解炭密度的主要因素并不是來自于類球形顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微孔隙，而是類球形顆粒生長特性間的孔隙。

需要特別指出的是，相似密度熱解炭其生長特性間的孔隙也不完全相同，如圖3(c)、(e)所示，兩者的密度相似(ρ≈1.8 g/cm3)，高溫(1 450℃)、低丙烷氣體濃度(25%)沉積的熱解炭生長特性間的孔隙相對較小，而低溫(1 250℃)、高濃度(60%)的丙烷氣體沉積的熱解炭產(chǎn)生了大量較大的生長特性間的孔隙。此外，在高溫(1 350～1 450℃)高丙烷氣體濃度(60%)條件下，隨著沉積溫度的升高，熱解炭的密度迅速降低，但是生長特性間的孔隙卻變小、變少(見圖3(e)、(f))。這說明生長特性間的孔隙對于熱解炭的密度來說并不是決定性的因素，尤其是較低密度的熱解炭，可能其類球形顆粒生長特性內(nèi)亂層結(jié)構(gòu)組織的排列方式已由鑲嵌體轉(zhuǎn)變?yōu)槔p結(jié)體，而纏結(jié)體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成的大量微孔隙才是決定較低密度熱解炭密度降低的主要因素[19,22]。

總之，在中低沉積溫度(1 250～1 350℃)、中低濃度丙烷氣體(25%～40%)條件下沉積得到的熱解炭密度較高，顯微硬度較大，其生長特性間的孔隙較小、較少，且類球形顆粒內(nèi)部亂層結(jié)構(gòu)組織的排列方式為致密均勻的鑲嵌體結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

1)隨著沉積溫度以及丙烷氣體濃度的升高，熱解炭的密度和顯微硬度逐漸降低。對于中低濃度(25%～40%)的丙烷氣體來說，沉積溫度對熱解炭的密度影響更大；高溫(1 350～1 450℃)以及高濃度(60%)的丙烷氣體能夠顯著降低熱解炭的密度。

2)沉積溫度和丙烷氣體濃度能夠顯著影響熱解炭的形貌和生長特性間的孔隙，進(jìn)而影響熱解炭的密度，相似密度熱解炭的孔隙結(jié)構(gòu)也不相同。

3)高密度熱解炭的孔隙主要是由生長特性間的孔隙組成，這些孔隙的多少對高密度熱解炭的密度有較大的影響，但生長特性間的孔隙對于熱解炭的密度來說并不是決定性的因素，尤其是對于較低密度的熱解炭來說，生長特性內(nèi)的微孔隙可能對于熱解炭的密度降低起到主導(dǎo)作用。

4)沉積條件為中低沉積溫度(1 250～1 350℃)和中低濃度丙烷氣體(25%～40%)得到的各向同性熱解炭結(jié)構(gòu)均勻，孔隙較少，密度較高，硬度較大。

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Structure and Properties of Low Temperature Isotropic Pyrocarbon

Zhang Jianhui Song Yinchao Xia Wenli

(SchoolofMechanicalEngineering，HangzhouDianziUniversity，Hangzhou310018，China)

pyrocarbon; chemical vapor deposition; deposition conditions; density; pore structure

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 05.017

2014-09-03， 錄用日期:2015-03-20

國家自然科學(xué)基金(50975070)；浙江省自然科學(xué)基金(LY12E05002)

R318.11; TQ127.1+1

D

0258-8021(2015) 05-0634-06

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: zhangjh@hdu.edu.cn