专利名称：流化床中的热分解沉积的制作方法
本申请涉及将某种物质例如热分解的碳沉积在飘浮于颗粒流化床中的基材上面的过程。具体来说涉及能非常仔细地控制热分解沉积的方法和设备，尤其是被沉积物质的密度小于构成流化床的飘浮颗粒密度的情况。
长期以来是用碳氢化合物气体或蒸气，或某种其它的含碳物质的蒸气进行热分解来使热分解碳沉积在基材上的。多年来人们已认识到，在单位体积流化床中能用于沉积的表面积对于所沉积的热分解碳的特征有很大的影响，因此实际沉积的热分解碳的特性可以按照要求藉仔细控制流化床的尺寸来调节，这是在授于Bokros等的美国专利No.3，399，969中已一般指明的。这一专利指出，对于例如具有尺寸约5毫米或更大的那些较大工件在细小颗粒(其粒度为数十或数百微米)的辅助床中进行热分解碳涂覆时，可以依靠控制相对于实际沉积所在的涂覆室体积的可用沉积表面积来控制沉积过程。
授予Bokros与Atkins的美国专利No.3，977，896叙述了一种改进的方法，用这个方法可以沉积出厚度显著的热分解碳涂层，此涂层在整个厚度范围内具有均匀的结晶度。这个方法一方面将小粒度颗粒加入涂覆器，另一方面则调节通过颗粒排出通道的朝上惰性气体的流量，使得已涂覆的颗粒(在粒度上变大了的)以控制的速率从涂覆室除去。这样就能使涂覆室内部的总沉积表面积保持比较稳定，从而获得上述的均匀性。
在美国专利No.3，977，896公布以后，向Brooks颁发了美国专利No.4，456，012，它公开了一种改进的用于涂覆这种较大工件的流化床设备。该设备是与悬浮颗粒组成的床联系在一起的，其中，使用了一个具有溢出口的溢流管，安放在涂覆室中所需的高度以限定流化床上平面的最高位置，从而使流化床尺寸在体积上维持一定。更适宜的是用顶部封闭的溢流管，其溢出口面向内侧，但不面向涂覆腔的中心线。通过此溢流管向上鼓入足量的惰性气体冲气流以免有显著量的粉尘连同已涂覆颗粒藉重力下降排出。也是向Brooks颂分的美国专利No.4，594，270则揭示了当一种较大的工件在这类流化床中悬浮并藉热分解涂覆时，能在所要求的高度位置从床层去除颗粒的设备。这一专利指出了采用一可在垂直方向上滑动的取样管，它可改变位置(最好能在炉的外部对其控制)使得其开口可以任意调节至取样所需的垂直位置。又可以控制取样管中惰性气体的流量，使得可以在所需的垂直位置选择性地令颗粒从流化床排出。
虽然上述这些专利公开了在流化床系统中控制热分解沉积的可行方法，但是要确定床层在任一给定时刻的实际表面积的大小是非常困难的，如果并非不可能的话;而且随着涂覆过程的日益复杂，有必要能对所沉积的热分解碳的特性进行更为精确的控制。因此人们一直在探寻更为完善的控制方法。
本发明得出，通过测量一个我们发现能真正代表床层尺寸的变量，即(a)在流化床内部或恰低于流化床处某一予定位置上的压力与(b)床层上方某一位置的压力之差，就能比较简便地精确控制颗粒流化床中在飘浮基材上沉积热分解碳或类似物质的过程。如果在流化床涂覆器中有显著量的烟灰生成，测量压力的适宜位置是在生成烟灰处的下方，或者如下文所述在其外部。精确测量了在这两个部位的压力后，可令床层内的表面积对应于此压力差而适当改变。床层尺寸这样小的变化可通过改变颗粒从床层排出的速率，或改变颗粒加入床层的速率，或同时改变这两种速率而实现。结果所沉积的热分解碳或其它物质的特性可以精确地获得控制，例如保证沉积热分解碳的结晶度高度均匀，或者按编定程序改变沉积的热分解碳的特征。例如可以在涂覆过程的开始阶段沉积出具有某种特征的碳，而在其后期沉积出另一种特征的碳。
图1是用于在连同床层颗粒一起悬浮的工件上沉积出热分解涂层的流化床设备示意图，其部分为剖面图。这个设备体现了本发明的各种特点，并包括控制其运行的附属机构。
图2是图1设备中的一部分取另一种实施方式的示意图。
图1表示一个适用的流化床涂覆设备20，它包括具有园柱形外壳24的炉身22，其内部则是涂覆室，它与园柱形外壳之间一般隔以缘热层25。涂覆室被薄套管26以及下衬套28所包闭。下衬套28与薄套管26的下部配合，为涂覆室提供一锥形的底面30，在其中心有一垂直通道32，此通道最好与具有园截面的套管26同轴。虽然这类涂覆器并无尺寸上的限制，但一般可用的涂覆器，其套管26的直径不大于1英尺，特别是内径约为6英寸或较小。产生悬浮作用的气体在通道32中向上流动，进入涂覆室。
炉管24的上端有一环状衬套，它是为套管26定中心用的。涂覆室的排气通道36的壁就是上衬套34，它向下延伸到炉中，起着将出口孔略为缩小的作用，并且具有截头园锥形的下部表面37。离开流化床涂覆器的热的悬浮用与涂覆用气体通过此上排气通道36，并流经一适合的导管38排出。
颗粒进料装置40一般安装在流化床涂覆器20的上方，其作用是将微细的颗粒41以所需的速率喂入涂覆室。来自颗粒进料器40的颗粒是穿过进料通道42进入涂覆器的，该通道穿过上衬套34的壁向下延伸，止于截头园锥形表面37。此设备备有在本技术领域中人们熟知的感应式或交流式加热装置44，它是环绕着炉管配置，以将涂覆室中的有效沉积区域连同其中飘浮的颗粒与工件加热到涂覆所需的沉积温度。
涂覆操作是通过在涂覆室下部建立由微细颗粒(粒度小于1毫米)构成的流化床来实现的。如图所示，此流化床延伸到由下衬套的上部端面30所包容的园锥形空间。一当流化床形成后，一个或多个待涂覆的工件45(例如修复用心瓣膜的环形瓣体或闭锁片(oc-cluder))则通过上排气通道36装入床层。这些工件一旦处于床层之中就被向上流动的气流支撑在流化床中。床层中的颗粒以及待涂覆工件就藉对加热装置输入适量的电能而被加热到所需的涂覆温度。涂覆室内部的温度则用本技术领域所通用的方式测量和控制，即用电测温装置(例如热电偶)或光学测温装置。若采用后者，则通过一观察窗(图中未示)观测之。
涂覆时所用的上升气流是流化用惰性气体与含碳物质气体的混合物，此含碳物质气体可用本领域内人们熟知的例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔、丙烯或其混合物，或其它含碳的气态或易挥发的适当物质。若要求涂覆的物质不是100%的热分解碳，而是某种合金例如碳化硅与热分解碳的合金，则将所需量的合适硅源物质例如甲基三氯硅烷引入流态化-涂覆用的气体混合物中。图1中表示了一个备有流量调节阀装置48的碳氢化合物源46，其旁为一惰性气体(例如氩、氦或氮)源50，它也备有适合的流量调节阀装置52。这两种气体流入总管线54，然后通入位于下衬套28的垂直通道32。
调节朝上通过涂覆室的流态化-涂覆用气体的总流量，使得流化床区域大体占据套管26的下部(如图1所示)。从中心进气通道通入的向上气流在流化床的下部区域形成了环形气流，在图示的装置中流化床的一部分就是衬套28的园锥形表面30所包容的空间。细小颗粒在中心区域朝上运动，然后一般沿着环形气流外缘朝下运动。但是也可采用其它的装置，例如平底的涂覆室，气体混合物则通过一个流态化技术中所通用的多孔烧结板或钻孔板进入。
颗粒可以选得使其密度大于床层中沉积物质的密度。若要沉积的是热分解碳或含少量碳化硅的热分解碳，则颗粒料的密度应至少是约3g/cm3，最好是4～5.5g/cm3。例如可用难熔氧化物的颗粒，诸如氧化铝、氧化铝-氧化硅(莫来石)和致密氧化锆，例如密度大于5g/cm3的ZrO2，密度约3.2g/cm3的莫来石。当这类颗粒在床层中被涂覆时，随着其粒度增大，总密度将逐渐变小。一般来说，那些较细小的未涂覆颗粒趋向于沉至床层下部，而涂层较厚的密度偏小的复合颗粒一般则向上飘浮，居留在床层上部。使用颗粒的粒度应为约1000微米(μm)或较小。较好的是，在涂覆操作中加入的颗粒的平均粒度不大于约400微米，可以是300至425微米的颗粒，而涂覆操作时排出的颗粒应大于500微米。
为了从床层去除颗粒，装置一个在其顶端有适当直径的开口的排出导管56。导管56可穿透整个下衬套28，或者在长度上较短，下面同轴连接于一个镗孔，该镗孔位于一个钻出的通道56a的顶端，使得导管通路从下衬套的园锥形表面30伸出一段。排出导管56最好在顶端封闭，而将排出孔开在侧壁上。导管56的长度可以使其顶部止于锥形表面贴垂直壁之处，但对于内径约4英寸或较小的涂覆器，导管56最好伸出园锥形表面以上，伸出长度最大不超过1英寸。延伸至涂覆区的排出导管56的材料用合适的耐火材料，例如石墨或莫来石。
由流化床通过小孔57进入导管56的颗粒藉重力向下沿出料导管60进入收集室62，被放置其中的量筒之类的器皿所收集。在任意时刻已除去的颗粒的总量或/和体积可以藉目测或用负荷传感器65测定。由一合适的气源66用惰性气体对收集室充压，充压的精密调节是依靠对流量控制阀装置68进行远距离控制，其详惰在下文再述。惰性气体由充压的收集室通过出料管60和排出导管56的朝上流动，不仅是作为冲气流以防止有显著量的粉尘落入收集室，并且起着精确调节颗粒由流化床去除的速度的作用，这在美国专利No.3，977，896中有更为具体的讨论。增加收集室62中的气体的压力，惰性气体向上的流速将增高，结果颗粒从床层排出的速率将减小或排出完全停止。连续地或周期性地降低其气体压力则使排出量增加。
已经发现在涂覆室内发生涂覆沉积的流化床尺寸可能是精确控制所沉积的热分解碳特征的最重要参数。现已发现测量流化床两侧压力差(△p)的变化是感知床层尺寸即使很小变化的一个有效途径。因此，通过检测床层两侧压力差即床层下部或恰在床层以下处的某一点与床层以上某点的压力差，并针对其与所需压力差值的偏离采取相应措施，可以在一次涂覆整个过程中对过程实现精密的控制。还发现，实现这一检测的一个方式就是在涂覆室区域内装设两个压力传感口。在图示的实施方式中，上方的压力传感口是由贯穿上衬套34的长通道70所提供;与此类似，下方的压力传感口由贯穿下衬套28的长通道72所提供。下方的口72宜于处在床层的下半体积区或低于床层，最好是处在床层的下部25%体积区域内。上方的口70与下方的口72分别藉管74、76与压力传感器78相连接以测量这两个口位置的压力，并定出压力差。若有必要，可装上任选的目测可读压力差。虽然最好采用压力传感器78，其它合适的压力测量装置例如液体压力计也可使用。为了防止压力测量口与其通道被粉尘、含碳物质或和颗粒所堵塞，在这两个测量系统中都保持合适的慢速惰性气体冲气流(图中未示)。孔70和72的冲气流来自于向管道74和76注入气体，其流量是恒定的。对每一次涂覆操作开始时的压力(此时计及各自的冲气流)进行测量，并作为该次涂覆操作的参考点。
由压力传感器78产生的讯号通过线路84传送到一控制单元86。此控制单元86将当时收到的讯号与已编制程序在其储存器中的值进行比较，看是否保持着所需的操作模式。若否，则控制单元就引动适当的调节。对床层尺寸的调节是通过改变颗粒加进床层的速率，或改变颗粒从床层去除的速率，或改变这两者的速率。因此，控制单元与一适当的线路88相连，电的或气动的等信号就藉此线路传送至颗粒进料器40;同时控制单元与接至控制阀68的另一类似线路90相连。该控制阀决定着颗粒排出导管56和60中朝上的惰性气体流量。设定颗粒进料器使得它以实质上恒定的速率将所需粒度的颗粒喂入涂覆器是较方便的。在此情况下，床层尺寸对应于所测压力差而作的改变(调节)，则是藉增加或减小颗粒从床层排出的速率来进行的。
为了保证颗粒按所需的量从流化床去除，最好在接受下落颗粒的烧杯63的下面装一个负荷传感器65。此负荷传感器藉适当线路94与控制单元相连，并提供代表烧杯与颗粒总重的信号。控制单元能够比较随时间变化的重量信号，从而测出每一所需时间间隔(例如每秒或每几分之一种)内去除颗粒的精确量。采用负荷传感器65可以精确地确定，对于氮气通过颗粒去除通道朝上的流量所作的调节(例如在一定的短时间内的调节)是否能达到所要求的效果。结果，就可能立即对氮气的压力进行调节，或者对N2流率较低的供气周期的长度与频率进行调节，将颗粒的去除速率微调到所需值，以便在一次涂覆操作的特定时间间隔内将检测到的两压力之差精确地维持在程序编制的数值。
任何适宜的电子控制器都可采用，例如可从Inotek/Analog Devices购得的控制器，或Honeywall的UDC-900 Multi-Pro，或IBM286计算机与Control E.G.软件。控制单元86最好能够进行程序编制使得在一次涂覆操作期间维持不同的床层条件，商业的控制器是具有这类程序编制特点的。控制单元最好应包括一个微机，它可编制程序使得，例如，在某一次涂覆操作的早期阶段采用比较大的床层尺寸，使热分解碳沉积较缓慢，从而使工件的拐角内壁涂覆得较佳。此程序然后在操作的后期逐渐减小床层尺寸，使热分解碳沉积的速率增加。若有需要，可以进行另外的改变使床层尺寸在临近涂覆操作结束时逐渐增加，以适应正在被涂覆工件质量增大的情况，或为了某一种原因而改变在一特定基材上所沉积涂层的物理特性。例如，在沿涂层深度的不同区域可能需要不同的结晶特征，对于特定的用途甚至需要在接近外表面处具有交替不同的结晶特性。而且，通过检测压力差并对床层尺寸按需要进行改变，并任选地利用负荷传感器的输出以保证颗粒按需要的速率排出，就可仔细地控制热分解碳或其它某个物质的沉积速率。由于这样的仔细控制，在涂覆操作任一时刻涂层的精确厚度可以确定。这样，当对特定的工件重复地涂覆时，有可能对涂层厚度按所需厚度仔细控制，精确到1密耳(0.001英寸)。对于涂覆那些达到容许偏差的精密度极端重要因而商业上非常有价值的某些部件，例如修复用心瓣膜来说，这是本发明的特别有价值的优点。
如果流化床变得太小，将不可能使涂覆的工件合适地飘浮起来，而且整个床层有崩溃的危险，而使涂覆过程中断，并且从质量控制的要求来说，可能导致须将涂覆工件抛弃的结果。采用本发明，流化床这一可能的崩溃肯定可以防止，因为流化床变得太小的趋势，在开始时就会被立即检测出来，控制单元82会自动地迅速采用对应措施使床层恢复到所需的尺寸。这一措施通常是减缓颗粒从床层去除的速率，使床层尺寸逐步增大直到所需的尺寸重新建立。另一方面，若床层过分增大，不仅热分解沉积碳的特性会变得不佳，而且沉积速率变慢，其结果是在一予定的沉积时间后，涂层厚度比予期的薄，沉积的热分解碳涂层的硬度一般也比在较小流化床中沉积的差。因此，同样重要的是防止床层变得过分大。本发明也能防止此现象的出现。例如依靠控制单元86增加颗粒从床层去除的速率，如果测出床层尺寸过分增大的话。
检测床层上方的压力以及恰在床层下方或床层下部区域的压力，虽然最好采用压力传感器78，但其它合适的压力测量装置也可使用。例如可用水柱压差计直接测量压力传感器70和72位置的压力之差，也可用两个液体压力计或其它精密的气压计式仪器分别测量该两位置的压力，然后比较测出的结果。
示于图2的是装置20的另一种实施方式，其特征在于不用示于图1的压力测量上通道，并且有一个短的排气烟道100将惰性气体与热分解气体产物通到一合适位置，例如通到废气排气管102的入口，然后通过它连续地排放离开设备所在建筑物或房间。由图可见，在排气烟道100的末端与排气管102的入口端有一段长1至6英寸的空隙。因此之故，而且由于排气烟道的截面较宽，例如内径约2英寸，涂覆器内流化床上面区域的压力基本上为大气压力。所以，发现让压力传感器78只检测涂覆器20外的大气压力而不是检测涂覆室内恰在床层上方的压力是合适的，因为在些情况下，该处的压力实际上是大气压力。因而发现，通过导管74'检测大气压力，然后与通过导管76检测的床层下区的压力比较，并通过线路84将代表这两个压力之差的信号传送到控制单元乃是利用这些测量值控制床层尺寸并因而在热分解沉积过程中精确地获得所需涂层特征和厚度的另一合适的方法。
体现了本发明各种特点的流化床涂覆装置操作的一个实例如下。先开启阀52并转至一合适位置以提供来自气源50的惰性气体例如氮气，使得流态化氮气朝上流经涂覆器20，气源可以是压力瓶之类的设备。然后适当数量的颗粒从上端加入涂覆器以建立流化床。例如，对于涂覆室内径约为3 1/2 英寸的涂覆器，可以先装入250至500克其粒度大于约325微米，但小于约700微米的已涂覆热分解碳的氧化锆颗粒。初始床层中的这种颗粒是涂覆了热分解碳的，与随后在涂覆过程中加入床层的未经涂覆的氧化锆颗粒不同，后者的密度约为5.37g/cc，其粒度约300微米至约425微米(平均粒度约360微米)，这种未涂覆颗粒是装在颗粒进料器40中的。这种尺寸涂覆器的典型运行情况，是将约20至40个锐孔环加入床层中。这类环经涂覆后将用作修复用心瓣膜的瓣体。典型的锐孔环一般是短管形状，高约0.7cm，内径约1.5至2.5cm，外径约1.6至2.6cm。美国专利No.4，822，353与No.4，863，467表示了采用这种一般类型瓣体的心瓣膜。
然后将设备升温至约1200℃至2000℃操作温度，是用感应加热装置44使颗粒与工件均匀加热至所需温度的。典型的操作温度约1320℃。在升温期间，在导管56(它的进口是 3/16 英寸的孔)中维持足量的朝上氮气流以避免颗粒排出。同样在下方压力口中也维持着充足的约每分4升类似氮冲气流以避免颗粒进入此压力口。在图1的涂覆器中，排出导管56置于使得其进口孔57低于下衬套的锥形表面30上边缘约0.4英寸处，这个位置约处于床的中部;而且此导管可以改变取向使得其孔57大体上面朝内侧，例如与通过涂覆室中心线的线成约45°的角。床层本身在涂覆室中占据约17立方英寸的体积，下衬套的锥形表面具有的垂直高度约5英寸。在图示的设备中，口72位于总深度约4.0英寸的床层的底面以上约2.5英寸。然而由于床层具有部分截头园锥的形状，这个孔是位于床层体积下半部之中的。
当涂覆操作开始时，开启阀48，令某种合适的涂覆气体(例如丙烷)加入已流经管路54和中心通道32的流态化气体。为了用碳化硅使正在沉积的热分解碳合金化，如这类技一般所熟知，最为适当的是将甲基三氯硅烷加入气流。若需要，调节惰性气体的流量使得流态化-涂覆用气体混合物朝上通过涂覆腔的气流，测于标准温度和压力的话，是约13升/分的氮气，约7升/分的甲烷以及约1升/分的甲基三氯硅烷蒸气。一旦涂覆操作开始，颗粒进料器就开始将未涂覆的氧化锆颗粒以约每分钟2克的速率通过进料通道42输入设备中，这些颗粒落入流化床并成为其一部分。由于密度较大，未涂覆的小颗粒迅速地藉重力降至床层下区。在进料通道中也维持着约每分钟4升的氮冲气流，它是连同正下降的氧化锆颗粒流动的;同时在通至上方压力传感口70的管路74中维持着约每分钟1升的氮冲气流。
在整个涂覆操作过程中藉压力传感器(例如市售的Sensotec Model Z或SETRA Model C239)检测下方口72与上方口70之间的压力差。代表所测压力差的输出信号由传感器传送至电子控制单元86。将此信号以例如每15秒的间隔与代表着所需床层尺寸的程序进行比较。控制单元86就对排出导管中颗粒去除的速率进行适当的调节，使压力差按照为涂覆操作期间所予先设定的要求而变。由收集室62朝上通过排出导管(其内径约 1/4 英寸)的氮气流最初维持在例如约每分钟4升，这一流量在初期能防止显著量的颗粒排出。一般说来，构成床层的颗粒越大，对于装有给定重量颗粒的床层来说，其总表面积越小。因此，有必要从床层排出这些较大颗粒，并不断以细小的未涂覆颗粒添加补充它。而且如果床层的总表面积显著减小，则涂覆速率将增大，会引起产生含有显著夹杂烟灰的涂层，它是难以抛光的。因此避免床层太小也是很重要的。然后藉控制单元86开始调节朝上通过导管56然后流出颗粒排出孔57(它位于顶部封闭的导管的侧壁上)的N2气流。其调节的方法，例如是周期性地在很短的以秒计的时间间隔降低流量，以实现每分钟约6至8克颗粒的排出速率。来自负荷传感器的反馈可使控制单元进行微调节，例如改变(低流量)时间间隔的长度或/和其频率。
这一典型的涂覆操作进行共约180分钟。其操作条件是使得在最初60分钟先保持压力差等于约4.0英寸水柱，然后在第二阶段将压力差以均匀速率在约60分钟内逐步降至3.0英寸水柱，以后则一直保持此值。压力差的改变是依靠减小床层尺寸来实现的，它将导致沉积速率增大。涂覆操作结束与设备冷却后，将涂覆工件进行检查，发现其上面的SiC合金化的热分解碳质量很高，0.010英寸的涂层厚度非常均匀，与要求厚度的公差约0.001英寸。
上述条件的涂覆操作在那种上端具有短排气烟道的涂覆器中也重复进行之，该烟道通向上方的排气导管，设备中的气体通过它以每分钟约150立方英尺的速率排放。烟道内径约2英寸，其出口与排气导管入口之间距离约3英寸。对于这种设备中的涂覆操作，不使用通道70所提供的压力传感器，而是用压力传感器测量紧靠涂覆器外的大气压力，并将此值与如前所述通过管道76与传感器72测量的床层下区压力进行比较。这一信息同样也通过线路84传送至控制单元。然后如前所述进行同样的涂覆操作。经检查发现所得的碳化硅-热分解碳涂覆工件同样具有很高的质量，同样获得了均匀的涂层厚度，对于所需的尺寸规格精确至0.001英寸。因此，与检测涂覆室内恰于床层上方的压力的方式相比，检测紧靠涂覆器外大气压力的方式也能使操作满意，并也获得远在厚度容许差以内的涂层。
一般来说，本发明提供了能非常精确地控制将热分解碳之类物质沉积到飘浮在颗粒流化床中的基材上的过程的方法和仪器。即通过检测床层上方的压力(许多情况下实际就是大气压力)与床层体积25%的下部位置(或恰在床层下方)压力之差的机构，可以获得床层尺寸的非常准确的衡量。这一衡量然后输入控制单元，该控制单元的设计是能进行必需的调节使得在涂覆室内维持一预选的实际上恒定不变的床层尺寸，若需要的话，也可以在整个涂覆操作期间按照预定编制的程序控制床层尺寸的改变。虽然本发明是按某些适宜实施的条件叙述的，但需知，对于本领域普通技术人员而言，可以不越出本发明的范围进行各种不同的变化和修正，此范围仅由附加于后的权利要求书所规定。例如，虽然这里的叙述仅处理热分解碳或碳化硅合金化的热分解碳的沉积，其它合金化的碳化物材料也可使用(例如碳化锆或碳化钨)，而且其它的物质也可从蒸气气氛(例如100%SiC)进行沉积。
本发明的特点在下面的权利要求书中着重说明之。
权利要求
1.一种能精密控制将某一物质沉积在飘浮于颗粒流化床中的基材上的过程的方法，该沉积过程在一个有气体向上流动的沉积室中进行。其特征在于所述方法包括在所述的室中建立一个处于流态化状态的颗粒床，至少有一个待涂覆基材飘浮在该流化床中，飘浮是由所用气体的朝上流动实现的，将颗粒的基材加热到所需温度，将受热可分解的组分加入到所述气体中使得该组分发生热分解，从而使所需热分解物质沉积在基材和颗粒上，此时基材与颗粒都处于飘浮状态，以可控制的方式将颗粒由床层排出，以可控制的方式将颗粒加入床层，进料颗粒的平均粒度小于排出颗粒的平均粒度，在床层的内部或其下方的预定的位置与在床层上方分别检测压力，从而得出这两者压力的差值，对应于所得的压力差改变颗粒由床层排出的速率或向床层加入颗粒的速率或同时改变此两个速率，使得在长时间范围能对沉积进行精确调节，从而在所述被涂覆基材上产生精确的涂层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述气体既含有能分解沉积碳的碳氢化合物。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述气体既含有主量某惰性气体也含有少量的某有机硅化合物，该化合物在所需温度分解沉积出与热分解碳合金化的碳化硅。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征是在所述床层总体积的下半区内的某垂直位置测量压力。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征是在流化床下部25%体积的区域内进行压力测量，作此测量的该区域一般是截头园锥形的。
6.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于将颗粒在对基材进行涂覆的整个期间内以一实际上恒定的速率连续加入床层。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于对应于测定的该压力差改变从所述床层排出颗粒的速率。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于藉改变惰性气体流量来控制由流化床排出颗粒的速率，此惰性气体流与颗粒藉重力流动的排出方向相反，是向上流动的。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于加入的颗粒具有不大于400微米的平均粒度，以及在其材涂覆的整个过程中从流化床排出的颗粒具有大于500微米的平均粒度。
10.如权利要求1-3的任一项所述的方法，其特征在于涂覆物质的密度小于构成该床层的颗粒的密度。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于被加入的颗粒是其密度大于涂覆物质的致密氧化锆。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于初期建立的颗粒床层实际上均由已用热分解碳涂覆的氧化锆颗粒所构成。
13.如权利要求1-3的任一项所述的方法，其特征在于是在长时期内有恒定惰性气体流流过的压力传感口的位置测量压力，并在延伸到涂覆室的通道的末端位置(在床层上方)测量压力。
14.一种能精密控制在连同颗粒流化床一起飘浮的基材上进行热分解碳沉积过程的方法，其特征在于该方法包括在涂覆区建立置有至少一个待涂覆基材的流化态下的颗粒床，颗粒与基材均飘浮在向上的气流中，将所述颗粒与基材加热到所需热分解温度，在气流中添入可热分解的含碳组分使其发生热分解，将热分解碳沉积在基材与颗粒上，长时期内在床层内部或其下方的预定位置以及在床层上方检测压力，从而确定其压力差，对应于测出的该压力差调节床层中的颗粒量，以便在长时间内精确地调节热分解的沉积过程，从而在所述基材上产生精确的涂层。
15.在飘浮于颗粒流化床中的基材上进行物质沉积的设备，其特征在于该设备包括一个涂覆室，在该室内产生一个朝上的混合气体流的装置，其作用是在涂覆室内维持着使颗粒床处于流态化的条件并使在流化床内飘浮着至少一个待涂覆的基材，使基材与颗粒流化床维持一定温度的加热装置，此温度要足使混合气体在流化床内发生热分解，使所需热分解物质沉积在基材与颗粒的上面，由流化床排出颗粒的装置，将平均粒度小于排出颗粒平均粒度的颗粒加入流化床的装置，在流化床内部或其下方的一预定位置以及在流化床上方分别检测压力以定出其压力差的装置，能在长时期内对应于所定出的该压力差改变从流化床排出颗粒的速率或向床层加入颗粒的速率或同时改变这两个速率，从而精确调节在涂覆基材上的沉积过程的装置。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于改变速率的装置是一个能对颗粒排出装置进行调节以改变颗粒排出速率的电子控制单元。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于检测压力的装置包括一个压力传感器，它产生信号并传送至电子控制单元。
18.如权利要求15所述的装置，其特征在于所述压力的检测装置包括延伸到流化床内某位置的导管装置以及维持惰性气体冲气流通过该导管的装置。
19.如权利要求15-18中的任一项所述的装置，其特征在于所述涂覆室大体上为园截面形，其直径不大于约6英寸。
20.如权利要求15-18中的任一项所述的装置，其特征在于颗粒加料装置以一基本上恒定的速率供应颗粒。
全文摘要
对于涂覆在颗粒流化床中的工件上的热分解碳进行精确的控制是藉检测床层上方和床层下部或恰在床层下方的压力之差来实现的。已发现这一压力差的测量能真正代表这种涂覆器内床层的大小，并且床层大小是使涂覆物质具有所需特性的非常重要的因素。对应于所测压力差的变化对床层尺寸进行调节，可以容易地使床层尺寸基本上恒定不变；或者可以令压力差按照预先编制的程序逐步变化。在这两种情况下都是通过加入颗粒到床层或改变颗粒排出的速率来进行调节的，因此可获致精确的涂层特性，例如可使厚度具有很小的公差。
文档编号B01J8/24GK1080667SQ92105230
公开日1994年1月12日 申请日期1992年6月30日 优先权日1991年11月18日
发明者J·A·阿肯蒂额斯, D·S·怀尔德 申请人:碳素种植股份有限公司