CN103343331A

CN103343331A - 化学气相沉积反应的装置

Info

Publication number: CN103343331A
Application number: CN2013102733125A
Authority: CN
Inventors: 崔向中; 傅旭; 马江宁; 马国佳; 巩水利; 孙梅; 孙刚
Original assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: AVIC Manufacturing Technology Institute
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2033-07-02
Also published as: CN103343331B

Abstract

本发明公开了一种化学气相沉积反应的装置，包括：上端盖，其上开设有进料口和出气口；反应管，其内设有微孔分布板，微孔分布板上开设有多个穿孔，反应管通过微孔分布板分为上部流化床反应室及下部固定床均化室，反应管的固定床均化室的外部套设有电炉，反应管的流化床反应室外部缠绕有金属丝，反应管的上端通过上密封套与上端盖相连；下端盖，其开设有进气口，下端盖通过下密封套连接在反应管的下端。本发明的化学气相沉积反应的装置，利用反应管上部的流化床反应室提供均匀的温度场与浓度场，并通过反应管下部的固定床均化室对气体快速预热、混匀及稳流处理，该化学气相沉积反应的装置改善了化学反应与沉积的均一性，提高了沉积材料的质量。

Description

化学气相沉积反应的装置

技术领域

本发明有关于一种反应装置，尤其有关于一种化工设备技术领域中的化学气相沉积反应的装置。

背景技术

通过化学气相沉积技术制备材料具有以下优点：（1）在远低于材料熔点的温度下合成材料；（2）合成材料的组成、结构和微观形貌可控；（3）不需烧结助剂，可合成高纯、高密度材料；（4）可以实现材料微米级，甚至纳米级控制；（5）可制备梯度复合材料、梯度涂层等。目前，化学气相沉积技术被广泛应用于制备光电薄膜、耐腐蚀涂层/薄膜、碳纳米管以及颗粒表面改性等。化学气相沉积技术的核心是其反应装置。反应装置的结构组成、能量供给方式、反应条件测控状况均会影响制备材料的质量、效率、性能等。因此，化学气相沉积反应装置的设计构造非常关键。

流化床-化学气相沉积为化学气相沉积反应提供了充分反应的空间和均匀的温度场、浓度场，可极大提高沉积质量。流化床反应器的重要特点是易于实现连续反应、规模化生产。但是，目前使用的流化床化学气相沉积反应器类型较多，结构差异较大，反应器的结构通常较为复杂，不便加工、拆卸及清洗，不利于长期使用。

另外，目前化学气相沉积反应装置通常采用电阻丝加热提供能量源，制备材料的温度都相对较高，导致了资源浪费、成本高、效率低。化学气相沉积反应时气体通常未经预热均化处理或者未进行温度、浓度均匀性控制处理便直接参与了反应，使得材料易出现成分偏析、厚薄不均等问题，影响了材料的质量和性能。因为气体连续进入反应器发生沉积反应时温度瞬时升高，体积急剧膨胀，造成反应空间气氛波动幅度大，影响了沉积反应过程，尤其是制备大面积薄膜材料时气体的温度、浓度均匀性对材料的性能和质量的影响更大。通常流化床中流化颗粒的状态在高温连续反应的情况下难以实时掌握，不利于流化态的连续调控，会影响沉积反应的稳定性。

因此，有必要提供一种新的反应装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种化学气相沉积反应的装置，其利用反应管上部的流化床反应室提供均匀的温度场与浓度场，并通过反应管下部的固定床均化室对气体快速预热、混匀及稳流处理，该化学气相沉积反应的装置改善了化学反应与沉积的均一性，提高了沉积材料的质量。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种化学气相沉积反应的装置，所述化学气相沉积反应的装置包括：

上端盖，其上开设有进料口和出气口；

反应管，其内设有微孔分布板，所述微孔分布板上开设有多个穿孔，所述反应管通过所述微孔分布板分为上部流化床反应室及下部固定床均化室，所述反应管的固定床均化室的外部套设有电炉，所述反应管的流化床反应室外部缠绕有金属丝，所述反应管的上端通过上密封套与所述上端盖相连；

下端盖，其开设有进气口，所述下端盖通过下密封套连接在所述反应管的下端。

在优选的实施方式中，所述微孔分布板上开设的穿孔的直径为10～100μm。

在优选的实施方式中，所述固定床均化室内设有盛料器，所述盛料器座设在所述下端盖内。

在优选的实施方式中，所述上端盖上设有红外成像仪窗口。

在优选的实施方式中，缠绕在所述反应管的流化床反应室外部的所述金属丝的外部设有隔热保温体。

在优选的实施方式中，所述上端盖的外表面与所述下端盖的外表面分别贴设有水冷套。

在优选的实施方式中，所述固定床均化室内设有热电偶，所述热电偶穿出所述下端盖的一端连接有温度传感器和压力传感器。

在优选的实施方式中，所述上端盖和所述下端盖分别通过真空管与一真空泵相连。

在优选的实施方式中，所述反应管的流化床反应室的内壁上设有基片槽放置坎，基片槽放置坎上放置有基片槽。

在优选的实施方式中，所述化学气相沉积反应的装置还包括支架，所述下端盖固定连接在所述支架的下端，所述上端盖可轴向滑动地连接在所述支架的上端。

本发明的化学气相沉积反应的装置的特点及优点是：

一、本发明的化学气相沉积反应的装置，其反应管为一根具有微孔分布板的简单石英管，其使用方便，微孔分布板将反应管分为上部流化床反应室和下部固定床均化室，其中，利用反应管上部的流化床反应室的高效传热、传质功能，为化学气相沉积反应空间提供了均匀的温度场、浓度场，而固定床均化室可用于反应气体的预热混匀，进一步提高了沉积材料成分的均匀性，改善了制备材料的性能。另外，本发明采用金属丝对流化床反应室内的气体进行电离，以所产生的等离子体作为反应的能量源，显著降低了沉积反应的温度，极大的提高了沉积反应的效率。

二、本发明的化学气相沉积反应的装置，上端盖上开设的红外成像仪窗口，通过外部红外成像仪从红外成像仪窗口检测反应管中等离子区域的宏观温度，并进行流化颗粒红外成像观测，对沉积反应进行温度检测和调控流化床反应室内颗粒的流化状态，确保沉积反应的稳定性，进而提高沉积材料的质量。

三、本发明的化学气相沉积反应的装置，分别贴设在上端盖的外表面与下端盖的外表面的水冷套，可起冷却作用，防止热辐射较大而影响反应管的上密封套和下密封套对反应管的密封；同时，该水冷套还可对从上端盖和下端盖排出的尾气进行冷却处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的化学气相沉积反应的装置的主视图。

图2为本发明的化学气相沉积反应的装置的基片槽的立体图。

图3为本发明的化学气相沉积反应的装置的支架的主视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种化学气相沉积反应的装置，其包括上端盖1、反应管2和下端盖3。其中：上端盖1上开设有进料口11和出气口12；反应管2内设有微孔分布板21，所述微孔分布板21上开设有多个穿孔（图中未示出），所述反应管2通过所述微孔分布板21分为上部流化床反应室22及下部固定床均化室23，所述反应管2的固定床均化室23的外部套设有电炉4，所述反应管2的流化床反应室22外部缠绕有金属丝5，所述反应管2的上端通过上密封套24与所述上端盖1相连；下端盖3开设有进气口31，所述下端盖3通过下密封套25连接在所述反应管2的下端。

具体是，上端盖1大体呈圆锥体形，其上开设有进料口11和出气口12，上端盖1通过上密封套24密封连接在反应管2的上端，其进料口11、出气口12与反应管2的内腔相连通。

反应管2大体呈圆柱筒形，其为石英管。反应管2内固定连接有微孔分布板21，该微孔分布板21将反应管2的内腔分为上部的流化床反应室22及下部的固定床均化室23，微孔分布板21上开设有多个穿孔，在本发明中，各穿孔的直径为10～100μm。该些开设在微孔分布板21上的穿孔用于连通流化床反应室22及固定床均化室23。在本实施例中，在固定床均化室23内设有盛料器231，盛料器231座设在下端盖3内，该盛料器231大体为漏斗形，其内用于盛装惰性颗粒。

下端盖3大体呈倒圆锥体形，其上开设有进气口31，下端盖3通过下密封套25密封连接在反应管2的下端，其进气口31与反应管2的内腔相连通。在本发明中，上端盖1和下端盖3分别通过真空管13和真空管32与一真空泵7相连，在真空管13和真空管32上分别连接有阀门131和阀门321，阀门131和阀门321用于开启或关闭真空管13和真空管32。

电炉4围设在反应管2下部的固定床均化室23外，其用于对固定床均化室23进行加热。

金属丝5缠绕在反应管2的流化床反应室22外，该金属丝5包括连接射频电极的金属丝和连接地电极的金属丝，通过调节外部射频发生器的电压，使金属丝5对反应管2内的气体进行电离以产生等离子体。在本发明的一实施例中，金属丝5的外部设有隔热保温体6，该隔热保温体6用于对金属丝5进行隔热保温处理。

在本发明的一实施例中，用该化学气相沉积反应的装置制备碳纳米管的过程如下：

首先，将盛料器231放置在下端盖3内，向盛料器231内填充适量的惰性大颗粒，该些惰性大颗粒的平均粒径为2～5mm；之后，将一定量10%wt的Ni/MgO催化剂颗粒，其粒径为100～300μm，放置在反应管2的流化床反应室22内；将上端盖1和下端盖3密封在反应管2的上端和反应管2的下端。

待化学气相沉积反应的装置组装完毕后，打开真空泵7和阀门321，从反应管2的下端抽真空2分钟，然后，再打开阀门131，从反应管2的上端抽真空5分钟，以快速排除反应管2中的空气；之后，开始从下端盖3的进气口31处通入氩气（Ar），氩气经下端盖3流入反应管2内，经反应管2的固定床均化室23、微孔分布板21上的多个穿孔而流入反应管2的流化床反应室22内；此时，逐渐增加气量使氩气气体与流化床反应室22内的Ni/MgO催化剂颗粒充分接触；然后，预热电炉4，使电炉4升温到450℃，此时，开启外部射频发生器，通过金属丝5加热流化床反应室22，气体电离并产生等离子体，以使流化床反应室22内的温度升至450～500℃；之后，从下端盖3的进气口31处通入氢气（H₂），使氢气与流化床反应室22内流化后的催化剂颗粒充分接触并进行还原反应，以使过渡金属氧化颗粒还原为单质金属纳米颗粒。在该实施例中，氩气与氢气的体积比为7：3，流化后的催化剂进行还原反应的时间为30～60分钟。

最后，从下端盖3的进气口31通入碳源气（例如甲烷CH₄），其中，Ar、H₂、CH₄的体积比为10:1:1，反应40～60分钟后，关闭外部射频发生器和电炉4，此时，仅通入氩气保护并冷却至室温；最后，对载体颗粒进行酸洗处理便可获得高质量的碳纳米管。

在本发明的另一实施例中，所述反应管2的流化床反应室22的内壁上凸设有基片槽放置坎221，基片槽放置坎221上放置有基片槽26，请参阅图2所示。当通过该化学气相沉积反应的装置制备类金刚石薄膜时：

首先，将盛料器231放置在下端盖3内，向盛料器231内填充适量惰性大颗粒，该些惰性大颗粒的平均粒径为2～5mm；之后，在反应管2的流化床反应室22内放入惰性小颗粒，其粒径为100～300μm；将硅基片261进行清洗、烘干等处理后竖直放在基片槽26中，拧紧基片槽26侧壁的固定螺丝262，然后将基片槽26放置在反应管2的基片槽放置坎221上；最后，将备好基片的反应管2放置于上端盖1和下端盖3间密封好。

待化学气相沉积反应的装置组装完毕后，调整反应管2外部金属丝5的位置，使其作用区域集中在基片槽26周围；此时，打开真空泵7和阀门321，从反应管2的下端抽真空2分钟，然后，再打开阀门131，从反应管2的上端抽真空5分钟，以快速排除反应管2中的空气；之后，从下端盖3的进气口31通入氩气（Ar），氩气经下端盖3流入反应管2内，经反应管2的固定床均化室23、微孔分布板21上的多个穿孔而流入反应管2的流化床反应室22内，此时，逐渐增加气量使流化床反应室22内的气固相充分接触，呈现流化状态；然后，预热电炉4，使电炉4升温到450℃，此时，开启外部射频发生器，通过金属丝5加热流化床反应室22，气体电离并产生等离子体，以使流化床反应室22内的温度升至450～500℃；然后从下端盖3的进气口31分别通入氩气（Ar）、氢气（H₂）和碳源气（CH₄），其中，Ar、H₂、CH₄的体积比为2:1:1，反应30分钟后，关闭外部射频发生器和电炉4，此时，仅通入氩气保护并冷却至室温；最后，在基片槽放置坎221的基片槽26上可获得类金刚石薄膜。

本发明的化学气相沉积反应的装置，反应管2为一根具有微孔分布板21的简单石英管，其使用方便，微孔分布板21将反应管2分为上部流化床反应室22和下部固定床均化室23，其中，利用反应管2上部的流化床反应室22的高效传热、传质功能，为化学气相沉积反应空间提供了均匀的温度场、浓度场，而固定床均化室23用于反应气体的预热混匀，进一步提高了沉积材料成分的均匀性，改善了制备材料的性能。另外，本发明采用金属丝5对流化床反应室22内的气体进行电离，以所产生的等离子体作为反应的能量源，等离子体能量高作用力强，显著降低了沉积反应的温度，极大的提高了沉积反应的效率。

根据本发明的一个实施方式，所述上端盖1上设有红外成像仪窗口14。采用红外成像仪从上端盖1的红外成像仪窗口14检测反应管2中等离子区域（也即，流化床反应室22）的宏观温度，并进行流化颗粒红外成像观测，对沉积反应进行温度检测和调控流化床反应室22内颗粒的流化状态，确保沉积反应的稳定性，进而提高沉积材料的质量。

根据本发明的一个实施方式，所述上端盖1的外表面与所述下端盖3的外表面分别贴设有水冷套。该水冷套附着在上端盖1的外表面及下端盖3的外表面起冷却作用，防止热辐射较大而影响反应管2的上密封套24和下密封套25对反应管2的密封；同时，该水冷套还可对从上端盖1和下端盖3排出的尾气进行冷却处理。

根据本发明的一个实施方式，所述固定床均化室23内设有热电偶232，所述热电偶232穿出所述下端盖3的一端连接有温度传感器233和压力传感器234。温度传感器233和压力传感器234通过穿设在固定床均化室23内的热电偶232感测固定床均化室23内的温度和压力。另外，在上密封套24上还连接有压力传感器241，其用于对反应管2的流化床反应室22内的压力进行感测。

根据本发明的一个实施方式，如图3所示，所述化学气相沉积反应的装置还包括支架8，所述下端盖3固定连接在所述支架8的下端，所述上端盖1可轴向滑动地连接在所述支架8的上端。

具体是，支架8具有上连接杆81和下连接杆82，上端盖1连接在上连接杆81上，下端盖3连接在下连接杆82上。上连接杆81例如可通过滑轨连接在支架8的不同高度位置上，从而可根据实际需要调整上连接杆81的高位位置，以便拆卸反应管的上端盖1，方便产物的取出以及清洗重复使用。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种化学气相沉积反应的装置，其特征在于，所述化学气相沉积反应的装置包括：

上端盖，其上开设有进料口和出气口；

2.如权利要求1所述的化学气相沉积反应的装置，其特征在于，所述微孔分布板上开设的穿孔的直径为10～100μm。

3.如权利要求1所述的化学气相沉积反应的装置，其特征在于，所述固定床均化室内设有盛料器，所述盛料器座设在所述下端盖内。

4.如权利要求1所述的化学气相沉积反应的装置，其特征在于，所述上端盖上设有红外成像仪窗口。

5.如权利要求1所述的化学气相沉积反应的装置，其特征在于，缠绕在所述反应管的流化床反应室外部的所述金属丝的外部设有隔热保温体。

6.如权利要求1所述的化学气相沉积反应的装置，其特征在于，所述上端盖的外表面与所述下端盖的外表面分别贴设有水冷套。

7.如权利要求1所述的化学气相沉积反应的装置，其特征在于，所述固定床均化室内设有热电偶，所述热电偶穿出所述下端盖的一端连接有温度传感器和压力传感器。

8.如权利要求1所述的化学气相沉积反应的装置，其特征在于，所述上端盖和所述下端盖分别通过真空管与一真空泵相连。

9.如权利要求1所述的化学气相沉积反应的装置，其特征在于，所述反应管的流化床反应室的内壁上设有基片槽放置坎，基片槽放置坎上放置有基片槽。

10.如权利要求1所述的化学气相沉积反应的装置，其特征在于，所述化学气相沉积反应的装置还包括支架，所述下端盖固定连接在所述支架的下端，所述上端盖可轴向滑动地连接在所述支架的上端。