基于CFD的CVD布氣裝置模擬與優化設計

王 毅，楊曉輝，白龍騰

（西安航天動力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

化學氣相沉積 (chemical vapor deposition，CVD)工藝能夠在較低溫度下完成材料制備，并能實現材料在微觀尺度上按照設定的化學成分計量比進行生長，廣泛應用于功能材料的制備領域。采用CVD工藝制備的SiC陶瓷和C/SiC復合材料在高溫下強度和韌性高、耐腐蝕性好、密度低，是高溫結構材料之一，在航空航天領域應用前景廣闊[1-6]。

CVD工藝參數有：氣流場、溫度場、壓力、流速、預制體形狀、預制體擺放位置等，其中CVD反應器內部流場的均勻性對CVD沉積產物表面質量和最終形態影響較大。本文利用CFD技術模擬計算布氣裝置對CVD反應器內流場的影響，根據模擬計算結果優化設計用于CVD設備的布氣裝置。

1 建立布氣系統氣流分布數學模型

1.1 建立模型

CVD工藝過程化學、物理變化比較復雜，基本化學反應過程是載氣 (H2)通過“鼓泡”的方式將液態先驅體一甲基三氯硅烷 (CH3SiCl3，MTS)，帶入到反應器內，同時通入平衡氣體Ar，在一定的工藝條件下MTS在預制體表面發生(1)式所示的化學反應，由此在預制體表面沉積生成SiC層。

實際應用的CVD反應器的反應過程和流體環境比較復雜，為了確定布氣系統氣流分布數學模型的邊界條件，必須對真實的CVD反應器進行理想化處理，理想的CVD反應器應具備以下條件：1)反應物氣體邊界層均勻，各處沉積速度和沉積厚度一致；2)不存在回流，控制氣體在反應器內的停留時間，減少非理想產物的形成；3)氣流在預制體表面形成層流，氣體在預制體孔隙網絡內擴散傳質[3,7-10]。……