CN108359958B - 一种cvd法碳化硅涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种CVD法碳化硅涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)启动沉积炉的加温箱，使温度达到100‑160℃；(2)将石墨基体放入沉积炉内的转盘上，然后带动石墨基体旋转；(3)对沉积炉内抽真空，再充入氩气；如此循环多次；(4)启动炉腔加热系统，对沉积炉内进行加热，同时对沉积炉内进行抽真空，达到沉积温度后，保温一定时间，再充入氩气，使沉积炉内的压力达到40‑60Kpa，再抽真空；(5)将氢气、氩气以及烷烃通入加温箱中，并通入液态氯硅烷，进而将带有氯硅烷的混合气体通入到沉积炉内；(6)沉积完，停止输送氢气、氯硅烷以及烷烃，保持氩气的输送，对沉积炉进行冲洗和降温，然后充气，打开炉体，取出带有碳化硅涂层的石墨工件。
Description
技术领域
本发明涉及无机非金属材料的制备，具体涉及一种CVD法碳化硅涂层的制备方法。
背景技术
碳化硅具有优异的理化性能，如导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好以及硬度高等，因此，碳化硅除了作为磨具用料外，还有很多其他用途，例如：制成高级耐火材料、高级碳化硅陶瓷材料、火箭喷管、燃气轮机叶片以及电加热元件等。
碳化硅涂层是一种常见的碳化硅制备方法，通过在目标基体的表面涂上薄层，利用碳化硅的耐磨性、耐腐蚀性以及抗氧化性，为各种缺少相应优异特性的目标基体提供有效的防护。其中，制备碳化硅涂层常用的方法为化学气相沉积法(CVD)和先驱体转化法(PIP)等离子热喷涂法等。目前，CVD法在国内常见于实验室制备SiC样品，将需制备SiC涂层的试样放入反应管中，以碳硅烷作为单一先驱体原料，在950-1300℃负压条件下沉积SiC涂层在试样表面，难以实现工业化的大批量生产。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种能够实现工业化大批量生产的CVD法碳化硅涂层的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种CVD法碳化硅涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)启动沉积炉的加温箱，使箱内的温度达到100-160℃；
(2)将待处理的石墨基体放入沉积炉内的转盘上，然后启动转盘，带动石墨基体旋转；
(3)启动真空泵，对沉积炉内抽真空，再充入氩气；如此循环操作多次，用氩气置换沉积炉内的空气；
(4)接着启动炉腔加热系统，开始对沉积炉内进行加热，同时继续对沉积炉内进行抽真空，直至沉积炉内的温度达到所需的沉积温度，接着保温一定时间，待温区平稳后，再充入氩气，使沉积炉内的压力达到40-60Kpa，然后再对沉积炉进行抽真空；
(5)将氢气、氩气以及烷烃同时通入到加温箱中，形成混合气体，并且向加温箱通入液态氯硅烷，由加温箱对混合气体和液态氯硅烷进行预热，使液态氯硅烷充分气化，并与混合气体充分混合，进而将带有氯硅烷的混合气体通入到沉积炉内；
(6)经过一定的沉积时间后，停止向加温箱中输送氢气、氯硅烷以及烷烃，保持氩气的输送，对沉积炉进行冲洗和降温；然后对沉积炉内进行充气，待压力达到100Kpa后，打开炉体，取出带有碳化硅涂层的石墨工件。
本发明的一个优选方案，在上述的步骤(2)中，在将待处理的石墨基体放入沉积炉内之前，将石墨基体表面打磨光滑，并用高压气枪清洁石墨基体表面。
本发明的一个优选方案，在上述的步骤(3)中，将沉积炉内的压力抽至200-400pa后，停止抽真空，然后往沉积炉内充入氩气，直到沉积炉内压力达到50-80Kpa，接着再对沉积炉进行抽真空；如此循环操作三次，从而置换沉积炉内残余的空气。
本发明的一个优选方案，在上述的步骤(4)中，启动炉腔加热系统后，当沉积炉内的温度到达500℃和800℃时，分别进行保温10-30min，并用氩气对炉腔内进行吹洗，及时将挥发的杂质抽走。
本发明的一个优选方案，在上述的步骤(4)中，所述沉积温度为1100-1400℃，到达沉积温度后保温20min。
本发明的一个优选方案，在上述的步骤(5)中，所述烷烃的输送流量为1-60slm，氩气的输送流量为1-60slm，氢气的输送流量为1-180slm；所述液态氯硅烷的流速为300-500g/min。
本发明的一个优选方案，在上述的步骤(6)中，所述沉积时间为30-180min。
本发明的一个优选方案，在上述的步骤(6)中，对沉积炉进行冲洗和降温后，直到沉积炉内的温度降到400℃以下；然后停止输送氩气，并对沉积炉内抽极限真空，使沉积炉自然冷却到50℃，然后对沉积炉内进行充气。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的CVD法碳化硅涂层的制备方法是适用于工业化大批量生产的CVD法碳化硅涂层生产方法，解决了现有技术中CVD法碳化硅涂层无法工业化生产的不足。
2、利用本发明的CVD法碳化硅涂层的制备方法获得的石墨工件的碳化硅涂层中碳硅比接近1∶1，该碳化硅涂层的均匀性良好，石墨基体与碳化硅涂层结合完好，无分层现象，致密性好。
附图说明
图1是本发明的制备方法所使用的设备及相关的工艺流程图。
图2为通过本发明的CVD法碳化硅涂层的制备方法制得的碳化硅涂层的XRD图。
图3为通过本发明的CVD法碳化硅涂层的制备方法制得的碳化硅涂层的XPS图。
图4为通过本发明的CVD法碳化硅涂层的制备方法制得的碳化硅涂层的表面形貌的扫描电镜图。
图5和图6为通过本发明的CVD法碳化硅涂层的制备方法制得的碳化硅涂层的截面的扫描电镜图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
除特别说明外，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
参见图1，本实施例中的碳化硅涂层的制备方法所使用的设备包括升降机构1、旋转机构2、沉积炉、加温箱5、称重仪6、电动阀门7以及水环泵8，其中，气相沉积炉包括上炉体3和下炉体4。
基于上述的设备，本实施例中的碳化硅涂层的制备方法包括以下步骤：
(1)启动加温箱5，使箱内的温度达到120℃，准备对沉积的反应气体进行预热；
(2)将石墨工件9表面打磨光滑后，再用高压气枪清洁石墨工件9的表面，然后放入沉积炉内的旋转机构2上；然后启动旋转机构2，从而带动石墨工件9旋转；
(3)启动水环泵8，对沉积炉内抽真空，将沉积炉内的压力抽至300pa后，停止抽真空，然后往沉积炉内充入氩气，直到沉积炉内压力达到60Kpa，接着再对沉积炉进行抽真空；如此循环操作三次，从而置换沉积炉内残余的空气；其中，在水环泵8的作用下，沉积炉内的杂质空气通过电动阀门7传输到外面；
(4)接着启动炉腔加热系统，开始对沉积炉内进行加热，当沉积炉内的温度到达500℃和800℃时，分别进行保温20min，并用氩气对炉腔内进行吹洗，同时继续对沉积炉内进行抽真空，及时将挥发的杂质抽走；直至沉积炉内的温度达到沉积温度1200℃，接着保温20min，待温区平稳后，再充入氩气，使沉积炉内的压力达到50Kpa，然后再对沉积炉进行抽真空；
(5)将流量为50slm的氢气、30slm的氩气以及30slm的乙烷同时通入到加温箱5中，形成混合气体，并且向加温箱5通入流速为300g/min的三液态氯硅烷，由加温箱5对混合气体和液态三氯硅烷进行预热，使三液态氯硅烷充分气化，并与混合气体充分混合，进而将带有三氯硅烷的混合气体通入到沉积炉内；
(6)经过100min的沉积后，停止向加温箱5中输送氢气、三氯硅烷以及乙烷，保持氩气的输送，对沉积炉进行冲洗和降温，直到沉积炉内的温度降到400℃以下；然后停止输送氩气，关闭氩气，关闭水环泵8，切换到滑阀泵，对沉积炉内抽极限真空，使沉积炉自然冷却到50℃，打开充气阀，然后对沉积炉内进行充气，待压力达到100Kpa后，通过启动升降机构1，将上炉体3和下炉体4分开，进而取出沉积有碳化硅涂层的石墨工件9。
由本实施例制得的碳化硅涂层，从图2中可以看出，该碳化硅涂层为β型碳化硅，图4显示了碳化硅涂层表面形貌呈四面体型，从而进一步验证本实施例获得的碳化硅涂层为立方型碳化硅。
从图3可以看出，由本实施例制得的碳化硅涂层中碳(Cls)：硅(Si2p)原子比例为51.3％∶47.7％，即碳硅比为1.07，接近理论值1∶1。
从图5和6可以看出本实施例中的石墨工件9与碳化硅涂层结合完好，无分层现象，致密性好。
实施例2
参见图1，本实施例中的碳化硅涂层的制备方法所使用的设备包括升降机构1、旋转机构2、沉积炉、加温箱5、称重仪6、电动阀门7以及水环泵8，其中，气相沉积炉包括上炉体3和下炉体4。
基于上述的设备，本实施例中的碳化硅涂层的制备方法包括以下步骤：
(1)启动加温箱5，使箱内的温度达到140℃，准备对沉积的反应气体进行预热；
(2)将石墨工件9表面打磨光滑后，再用高压气枪清洁石墨工件9的表面，然后放入沉积炉内的旋转机构2上；然后启动旋转机构2，从而带动石墨工件9旋转；
(3)启动水环泵8，对沉积炉内抽真空，将沉积炉内的压力抽至300pa后，停止抽真空，然后往沉积炉内充入氩气，直到沉积炉内压力达到70Kpa，接着再对沉积炉进行抽真空；如此循环操作三次，从而置换沉积炉内残余的空气；其中，在水环泵8的作用下，沉积炉内的杂质空气通过电动阀门7传输到外面；
(4)接着启动炉腔加热系统，开始对沉积炉内进行加热，当沉积炉内的温度到达500℃和800℃时，分别进行保温25min，并用氩气对炉腔内进行吹洗，同时继续对沉积炉内进行抽真空，及时将挥发的杂质抽走；直至沉积炉内的温度达到沉积温度1300℃，接着保温20min，待温区平稳后，再充入氩气，使沉积炉内的压力达到50Kpa，然后再对沉积炉进行抽真空；
(5)同时将流量为100slm的氢气、40slm的氩气以及40slm的丙烷通入到加温箱5中，形成混合气体，并且向加温箱5通入流速为400g/min的液态三氯硅烷，由加温箱5对混合气体和液态三氯硅烷进行预热，使液态三氯硅烷充分气化，并与混合气体充分混合，进而将带有三氯硅烷的混合气体通入到沉积炉内；
(6)经过120min的沉积时间后，停止向加温箱5中输送氢气、三氯硅烷以及丙烷，保持氩气的输送，对沉积炉进行冲洗和降温，直到沉积炉内的温度降到400℃以下；然后停止输送氩气，关闭氩气，关闭水环泵8，切换到滑阀泵，对沉积炉内抽极限真空，使沉积炉自然冷却到50℃，打开充气阀，然后对沉积炉内进行充气，待压力达到100Kpa后，通过启动升降机构1，将上炉体3和下炉体4分开，进而取出沉积有碳化硅涂层的石墨工件9。
通过观察本实施例制得的碳化硅涂层，同为立方晶型的涂层，其碳硅比也接近1∶1，与石墨工件9结合完好，且涂层的均匀性好。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种CVD法碳化硅涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)启动沉积炉的加温箱，使箱内的温度达到100-160℃；
(2)将待处理的石墨基体放入沉积炉内的转盘上，然后启动转盘，带动石墨基体旋转；
(3)启动真空泵，对沉积炉内抽真空，再充入氩气；如此循环操作多次，用氩气置换沉积炉内的空气；
(4)接着启动炉腔加热系统，开始对沉积炉内进行加热，同时继续对沉积炉内进行抽真空，直至沉积炉内的温度达到1100℃-1400℃，接着保温一定时间，待温区平稳后，再充入氩气，使沉积炉内的压力达到40-60KPa，然后再对沉积炉进行抽真空；
(5)将氢气、氩气以及烷烃同时通入到加温箱中，形成混合气体，并且向加温箱通入液态氯硅烷，由加温箱对混合气体和液态氯硅烷进行预热，使液态氯硅烷充分气化，并与混合气体充分混合，进而将带有氯硅烷的混合气体通入到沉积炉内；所述烷烃的输送流量为1-60slm，氩气的输送流量为1-60slm，氢气的输送流量为1-180slm；所述液态氯硅烷的流速为300-500g/min；
(6)经过一定的沉积时间后，停止向加温箱中输送氢气、氯硅烷以及烷烃，保持氩气的输送，对沉积炉进行冲洗和降温；然后对沉积炉内进行充气，待压力达到100KPa后，打开炉体，取出带有碳化硅涂层的石墨工件。
2.根据权利要求1所述的CVD法碳化硅涂层的制备方法，其特征在于，在上述的步骤(2)中，在将待处理的石墨基体放入沉积炉内之前，将石墨基体表面打磨光滑，并用高压气枪清洁石墨基体表面。
3.根据权利要求1所述的CVD法碳化硅涂层的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，将沉积炉内的压力抽至200-400Pa后，停止抽真空，然后往沉积炉内充入氩气，直到沉积炉内压力达到50-80KPa，接着再对沉积炉进行抽真空；如此循环操作三次，置换沉积炉内残余的空气。
4.根据权利要求1所述的CVD法碳化硅涂层的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，在启动炉腔加热系统后，当沉积炉内的温度到达500℃和800℃时，分别进行保温10-30min，并用氩气对炉腔内进行吹洗，及时将挥发的杂质抽走。
5.根据权利要求1所述的CVD法碳化硅涂层的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，到达沉积温度后保温20min。
6.根据权利要求1所述的CVD法碳化硅涂层的制备方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述沉积时间为30-180min。
7.根据权利要求1所述的CVD法碳化硅涂层的制备方法，其特征在于，在步骤(6)中，对沉积炉进行冲洗和降温后，直到沉积炉内的温度降到400℃以下，然后停止输送氩气，并对沉积炉内抽极限真空，使沉积炉自然冷却到50℃，然后对沉积炉内进行充气。
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