一种管内化学气相沉积制备薄膜的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，包括反应室，所述反应室上开有供管状工件穿过的进料口和出料口，所述进料口和出料口分别布设在反应室两侧，所述反应室上且位于出料口上方设置有保护气入口，所述反应室上且位于进料口下方设置有保护气出口，所述反应室内部设置有用于对位于反应室内的管状工件进行加热的加热单元。另外，本发明还公开了利用该装置进行管内化学气相沉积制备薄膜的方法。本发明的装置结构简单，成本低，适合各类耐温性较好的管状工件实现管内镀膜，可实现多根管状工件同步镀膜，效率高，适合大规模推广应用，也可实现长管状工件的连续化学沉积。
【专利说明】一种管内化学气相沉积制备薄膜的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于特殊薄膜制备【技术领域】，具体涉及一种管内化学气相沉积制备薄膜的方法及装置。 【背景技术】
[0002]在实际工业应用中有大量管状工件的内表面需要改性处理，例如：油田上的抽油泵泵筒、输油管道、化工管道、汽车气缸套，以及军事领域特别是海军舰艇上配置的舰炮炮管以及鱼雷发射管等。这些在恶劣环境下工作的管状工件内壁亟待强化处理。比如，石油工业中，输油管道的腐蚀失效已经成为制约其发展的主要问题之一。目前工业上对管件内表面改性的常用方法主要还是工业电镀。但是，电镀方法形成的膜与管状工件基底结合不牢，处理过程中的废液还会对环境造成污染，是较为棘手的问题。因此，工业领域已经开始尝试采用各种不同的手段来代替电镀方法。
[0003]李德杰等人发明了一种管内磁控溅射镀膜技术。赵彦辉等人发明了一种长管内壁镀膜的电弧离子镀膜装置。但目前的物理气相沉积装置较为复杂，薄膜成分、结构受到限制，效率较低。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置。该装置结构简单，成本低，适合各类耐温性较好的管状工件实现管内镀膜，可以实现多根管状工件同步镀膜，效率高，适合大规模推广应用，也可实现长管状工件的连续化学沉积。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，其特征在于，包括反应室，所述反应室上开有供管状工件穿过的进料口和出料口，所述进料口和出料口分别布设在反应室两侧，所述反应室上且位于出料口上方设置有保护气入口，所述反应室上且位于进料口下方设置有保护气出口，所述反应室内部设置有用于对位于反应室内的管状工件进行加热的加热单元。
[0006]上述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，还包括用于带动管状工件水平运行的传送器。
[0007]上述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，所述管状工件穿出出料口的一端设置有用于对管状工件内部抽真空的真空泵，管状工件的另一端设置有用于测量管状工件内压力的压力表。
[0008]上述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，所述反应室外部且位于出料口处设置有用于对管状工件进行冷却的冷却装置。
[0009]上述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，所述冷却装置为缠绕于管状工件外壁的冷却盘管。
[0010]上述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，所述加热单元为设置于反应室内壁的加热棒。
[0011]上述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，所述加热单元包括与位于反应室内的管状工件两端接触连接且对位于反应室内的管状工件通电加热的电极对和与电极对相连通的电源。
[0012]上述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，所述管状工件的数量为多个。
[0013]另外，本发明还提供了一种利用上述装置进行管内化学气相沉积制备薄膜的方法，其特征在于，该方法为：将管状工件穿过反应室，通过保护气入口向反应室内通入保护气体；然后开启加热单元对位于反应室内的管状工件进行加热，待温度达到沉积温度，向管状工件内通入反应气体进行化学气相沉积，冷却后得到附着于管状工件内壁的化学气相沉积薄膜。
[0014]本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0015]I、本发明的装置结构简单，成本低，适合各类耐温性较好的管状工件实现管内镀膜。
[0016]2、 本发明的装置可以实现多根管状工件同步镀膜，效率高，适合大规模推广应用。
[0017]3、本发明的方法能够以管状工件为模板制备沉积物材质的管状工件，如碳化硅管以及管状薄膜，如管状石墨烯薄膜。
[0018]4、采用本发明的装置可实现长管状工件的连续化学沉积。
[0019]5、采用本发明的装置沉积薄膜，薄膜组分、结构、厚度可控，效率高，必将推动管状工件改性增效【技术领域】的进步。同时能够方便快速的制备高质量薄膜和管状工件，有利于推进先进材料的技术和产业发展。
[0020]下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图I为本发明实施例I装置的结构示意图。
[0022]图2为图I的A-A剖视图。
[0023]图3为本发明实施例2装置的结构示意图。
[0024]图4为本发明实施例3装置的结构示意图。
[0025]图5为本发明实施例4装置的结构示意图。
[0026]图6为本发明实施例5装置的结构示意图。
[0027]附图标记说明：
[0028]I—反应室；1-1一进料口 ；1-2—出料口 ；
[0029]2—加热单元；2-1—电极对；2-2—电源；
[0030]3—管状工件；4一压力表；5—真空泵；
[0031]6—保护气入口；7—保护气出口；8—传送器；
[0032]9 一冷却装置。
【具体实施方式】
[0033]实施例I
[0034]如图I和图2所示，本实施例的管内化学气相沉积制备薄膜的装置包括反应室1，所述反应室I上开有供管状工件3穿过的进料口 1-1和出料口 1-2，所述进料口 1-1和出料口 1-2分别布设在反应室I两侧，所述反应室I上且位于出料口 1-2上方设置有保护气入口 6，所述反应室I上且位于进料口 1-1下方设置有保护气出口 7，所述反应室I内部设置有用于对位于反应室I内的管状工件3进行加热的加热单元2 ;本实施例中，所述加热单元2为设置于反应室I内壁的加热棒。
[0035]采用本实施例的装置对内径50mm，长0. 2m的不锈钢管进行管内化学沉积制备薄膜，反应室I长度为0. 2m,方法为：将管状工件3穿过反应室I,使管状工件3处于反应室I内，通过保护气入口 6向反应室I内通入保护气体氩气，对管状工件3外壁进行保护；然后开启加热单元2对位于反应室I内的管状工件3进行加热，待温度达到沉积温度1100°C后向管状工件3内通入反应气体(一甲基三氯硅烷作为前驱体气体，氢气作为载气和反应气，氩气作为稀释气，三种气体摩尔比为I : 10 ： 5)进行化学气相沉积，沉积时间lOmin，冷却后得到厚度300nm左右、光滑致密、与管状工件3内壁结合良好的碳化硅薄膜。
[0036]实施例2
[0037]如图3所示，本实施例的管内化学气相沉积制备薄膜的装置包括反应室1，所述反应室I上开有供管状工件3穿过的进料口 1-1和出料口 1-2，所述进料口 1-1和出料口 1-2分别布设在反应室I两侧，所述反应室I上且位于出料口 1-2上方设置有保护气入口 6，所述反应室I上且位于进料口 1-1下方设置有保护气出口 7，所述反应室I内部设置有用于对位于反应室I内的管状工件3进行加热的加热单元2。
[0038]本实施例中，所述装置还包括用于带动管状工件3水平运行的传送器8。
[0039]本实施例中，所述管状工件3穿出出料口 1-2的一端设置有用于对管状工件3内部抽真空的真空泵5，管状工件3的另一端设置有用于测量管状工件3内压力的压力表4。
[0040]本实施例中，所述反应室I外部且位于出料口 1-2处设置有用于对管状工件3进行冷却的冷却装置9。
[0041]本实施例中，所述冷却装置9为缠绕于管状工件3外壁的冷却盘管。
[0042]本实施例中，所述加热单元2为设置于反应室I内壁的加热棒。
[0043]采用本实施例的装置对内径50mm，长2m的不锈钢管进行管内化学沉积制备薄膜，反应室I长度为0. 2m,方法为：将管状工件3穿过反应室I,使管状工件3待沉积部位处于反应室I内，通过保护气入口 6向反应室I内通入保护气体氩气，对管状工件3位于反应室I内的外壁进行保护；然后开启加热单元2对位于反应室I内的管状工件3进行加热，待温度达到沉积温度1100°C后向管状工件3内通入反应气体（四氯化钛和甲烷作为前驱体气体，氢气作为反应气，三种气体摩尔比为I : 6 ： 15)，同时开启传送器8使管状工件3以
0.02m/min的移动速率水平移动，开启真空泵5调节管状工件3内的气体压力为0. IMPa，整根管状工件3的沉积时间为90min，沉积后的管状工件3通过冷却装置9急冷后得到厚度500nm左右、光滑致密、与管状工件3内壁结合良好的碳化硅薄膜。
[0044]实施例3
[0045]如图4所示，本实施例的管内化学气相沉积制备薄膜的装置包括反应室1，所述反应室I上开有供管状工件3穿过的进料口 1-1和出料口 1-2，所述进料口 1-1和出料口 1-2分别布设在反应室I两侧，所述反应室I上且位于出料口 1-2上方设置有保护气入口 6，所述反应室I上且位于进料口 1-1下方设置有保护气出口 7，所述反应室I内部设置有用于对位于反应室I内的管状工件3进行加热的加热单元2。
[0046]本实施例中，所述装置还包括用于带动管状工件3水平运行的传送器8。
[0047]本实施例中，所述管状工件3穿出出料口 1-2的一端设置有用于对管状工件3内部抽真空的真空泵5，管状工件3的另一端设置有用于测量管状工件3内压力的压力表4。
[0048]本实施例中，所述反应室I外部且位于出料口 1-2处设置有用于对管状工件3进行冷却的冷却装置9。
[0049]本实施例中，所述冷却装置9为缠绕于管状工件3外壁的冷却盘管。
[0050]本实施例中，所述加热单元2为设置于反应室I内壁的加热棒。
[0051]本实施例中，所述管状工件3的数量为3个。
[0052]采用本实施例的装置对3根内径50mm，长2m的镍管同时进行管内化学沉积制备薄膜，反应室I长度为0. 2m，方法为：将3根管状工件3分别穿过反应室1，使管状工件3待沉积部位处于反应室I内，通过保护气入口 6向反应室I内通入保护气体氩气，对管状工件3位于反应室I内的外壁进行保护；然后开启加热单元2对位于反应室I内的管状工件3进行加热，待温度达到沉积温度1000°C后向3根管状工件3内通入反应气体（乙醇作为前驱体气体，氢气作为反应气，氩气作为载气和稀释气，三种气体摩尔比为I : 5 ： 10)，同时开启传送器8使3根管状工件3同时以0. 04m/min的移动速率水平移动，开启真空泵5调节3根管状工件3内的气体压力均为0. 05MPa, 3根管状工件3的沉积时间均为45min，沉积后的管状工件3通过冷却装置9急冷后得到附着于镍管内壁的厚度3nm左右的石墨烯薄膜，将附着有石墨烯薄膜的镍管置于稀盐酸中48h，镍管溶解完全，得到石墨烯管。
[0053]实施例4
[0054]如图5所示，本实施例的管内化学气相沉积制备薄膜的装置包括反应室1，所述反应室I上开有供管状工件3穿过的进料口 1-1和出料口 1-2，所述进料口 1-1和出料口 1-2分别布设在反应室I两侧，所述反应室I上且位于出料口 1-2上方设置有保护气入口 6，所述反应室I上且位于进料口 1-1下方设置有保护气出口 7，所述反应室I内部设置有用于对位于反应室I内的管状工件3进行加热的加热单元2。
[0055]本实施例中，所述装置还包括用于带动管状工件3水平运行的传送器8。
[0056]本实施例中，所述管状工件3穿出出料口 1-2的一端设置有用于对管状工件3内部抽真空的真空泵5，管状工件3的另一端设置有用于测量管状工件3内压力的压力表4。
[0057]本实施例中，所述反应室I外部且位于出料口 1-2处设置有用于对管状工件3进行冷却的冷却装置9。
[0058]本实施例中，所述冷却装置9为缠绕于管状工件3外壁的冷却盘管。
[0059]本实施例中，所述加热单元2包括与位于反应室I内的管状工件3两端接触连接且对位于反应室I内的管状工件3通电加热的电极对2-1和与电极对2-1相连通的电源2-2。
[0060]采用本实施例的装置对内径50mm，长2m的石墨管进行管内化学沉积制备薄膜，反应室I长度为0. 2m,方法为：将管状工件3穿过反应室I,使管状工件3待沉积部位处于反应室I内，通过保护气入口 6向反应室I内通入保护气体氩气，对管状工件3位于反应室I内的外壁进行保护；然后接通加热单元2的电源（2-2)，通过电极对（2-1)对位于反应室I内的管状工件3进行通电加热，待温度达到沉积温度1000°C后向管状工件3内通入反应气体(一甲基三氯硅烷作为前驱体气体，氢气作为载气和反应气,IJ气作为稀释气,三种气体摩尔比为I : 10 ： 3)，同时开启传送器8使管状工件3以0.02m/min的移动速率水平移动，开启真空泵5调节管状工件3内的气体压力为0. 05MPa,整根管状工件3的沉积时间为90min，沉积后的管状工件3通过冷却装置9急冷后得到附着于石墨管内壁的厚度300nm左右的碳化硅薄膜。 [0061]实施例5
[0062]如图6所示，本实施例的管内化学气相沉积制备薄膜的装置包括反应室1，所述反应室I上开有供管状工件3穿过的进料口 1-1和出料口 1-2，所述进料口 1-1和出料口 1-2分别布设在反应室I两侧，所述反应室I上且位于出料口 1-2上方设置有保护气入口 6，所述反应室I上且位于进料口 1-1下方设置有保护气出口 7，所述反应室I内部设置有用于对位于反应室I内的管状工件3进行加热的加热单元2。
[0063]本实施例中，所述加热单元2包括与位于反应室I内的管状工件3两端接触连接且对位于反应室I内的管状工件3通电加热的电极对2-1和与电极对2-1相连通的电源2-2。
[0064]采用本实施例的装置对内径50mm，长0. 2m的石墨管进行管内化学沉积制备薄膜，反应室I长度为0. 2m,方法为：将管状工件3穿过反应室I,使管状工件3待沉积部位处于反应室I内，通过保护气入口 6向反应室I内通入保护气体氩气，对管状工件3位于反应室I内的外壁进行保护；然后接通加热单元2的电源（2-2)，通过电极对（2-1)对位于反应室I内的管状工件3进行通电加热，待温度达到沉积温度1200°C后向管状工件3内通入反应气体(一甲基三氯硅烷作为前驱体气体，氢气作为载气和反应气,気气作为稀释气,三种气体摩尔比为I : 10 ： 5)，管状工件3的沉积时间为3h，冷却后石墨管与沉积的薄膜脱落，得到外径50_左右、厚度300 u m左右的碳化硅管。
[0065]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，其特征在于，包括反应室（1)，所述反应室(I)上开有供管状工件（3)穿过的进料口（ 1-1)和出料口（ 1-2)，所述进料口（ 1-1)和出料口（ 1-2)分别布设在反应室（I)两侧，所述反应室（I)上且位于出料口（ 1-2)上方设置有保护气入口（ 6 )，所述反应室（I)上且位于进料口（ 1-1)下方设置有保护气出口（ 7 )，所述反应室（I)内部设置有用于对位于反应室（I)内的管状工件（3)进行加热的加热单元（2)。
2.根据权利要求1所述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，其特征在于，还包括用于带动管状工件（3 )水平运行的传送器（8 )。
3.根据权利要求1所述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，其特征在于，所述管状工件（3)穿出出料口（1-2)的一端设置有用于对管状工件（3)内部抽真空的真空泵(5)，管状工件（3)的另一端设置有用于测量管状工件（3)内压力的压力表（4)。
4.根据权利要求1所述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，其特征在于，所述反应室（I)外部且位于出料口（1-2)处设置有用于对管状工件（3)进行冷却的冷却装置(9)。
5.根据权利要求4所述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，其特征在于，所述冷却装置（9)为缠绕于管状工件（3)外壁的冷却盘管。
6.根据权利要求1所述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，其特征在于，所述加热单元（2)为设置于反应室（I)内壁的加热棒。
7.根据权利要求1所述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，其特征在于，所述加热单元（2)包括与位于反应室（I)内的管状工件（3)两端接触连接且对位于反应室（I)内的管状工件（3)通电加热的电极对（2-1)和与电极对（2-1)相连通的电源（2-2)。
8.根据权利要求1所述的一种管内化学气相沉积制备薄膜的装置，其特征在于，所述管状工件（3)的数量为多个。
9.一种利用如权利要求1所述装置进行管内化学气相沉积制备薄膜的方法，其特征在于，该方法为：将管状工件（3 )穿过反应室（I)，通过保护气入口（ 6 )向反应室（I)内通入保护气体；然后开启加热单元（2)对位于反应室（I)内的管状工件（3)进行加热，待温度达到沉积温度，向管状工件（3)内通入反应气体进行化学气相沉积，冷却后得到附着于管状工件(3)内壁的化学气相沉积薄膜。
【文档编号】C23C16/44GK103484829SQ201310459850
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】赵松, 张永辉, 肖志超, 侯卫权, 苏君明 申请人:西安超码科技有限公司