CN115160022A

CN115160022A - 一种碳基材料表面单相SiC保护涂层的制备方法

Info

Publication number: CN115160022A
Application number: CN202210686003.XA
Authority: CN
Inventors: 顾正彬; 楼建军
Original assignee: Changzhou Yixiang Carbon Material Technology Co ltd
Current assignee: Changzhou Yixiang Carbon Material Technology Co ltd
Priority date: 2022-06-17
Filing date: 2022-06-17
Publication date: 2022-10-11

Abstract

本发明涉及碳化硅保护涂层技术领域，本发明公开了一种碳基材料表面单相SiC保护涂层的制备方法，按比例称量单相高纯SiC、Si和石墨三种粉末，以及分散剂KD‑1和增塑粘结剂PVA，然后加入溶剂无水乙醇，再利用球磨机进行球磨混合处理24‑48小时，球磨后的浆料在真空状态下通过磁力搅拌器除泡处理1小时，处理后浆料涂覆于碳基材料试件表面，涂覆厚度50‑100μm，将涂覆后的试件放置于干燥箱，干燥温度100°C，时间不少于12小时，将所获试件在1600‑1800°C、Ar气氛下煅烧2小时，得到相对致密且单相SiC涂层。本发明制备过程无复杂工艺、成本低、效率高，涂层致密、厚度可控、无杂质，可适应于对涂层灰度、杂质要求苛刻的工作环境。

Description

一种碳基材料表面单相SiC保护涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及碳化硅保护涂层技术领域，尤其涉及一种碳基材料表面单相SiC保护涂层的制备方法。

背景技术

碳化物（SiC，TaC等）通常具有非常优异的物理性质，如超高熔点、超高硬度，以及非常稳定的化学性质，耐腐蚀、抗氧化性能优良，在真空状态下具有极低的蒸气压等，因此，在工作于各种极端环境（如超高温环境、酸/碱腐蚀环境）的器件上，有着非常广泛而重要的应用前景，例如，SiC涂层可以用于石墨坩埚等产品的防护涂层材料，以降低应用环境中H⁺对石墨的刻蚀；施加于炭/炭复合材料表面的SiC涂层，可以有效提高炭/炭复合材料在中低温（<1400°C）以下的抗氧化性能。

目前，通常利用化学气相沉积（CVD）技术来制备SiC防护涂层，工艺较为复杂、控制难度高，所得到的SiC涂层均匀性差，且设备昂贵、成本高，而利用包埋法制备的SiC涂层致密性较差、厚度较难控制，难以达到理想的效果，而且，为了提高包埋法工艺的可行性及涂层高温下的自愈合性，原材料中通常添加某些低溶点、流动性好的添加剂，如氧化硼（B₂O₃），造成涂层中含有过多杂质，其应用受到极大的局限。

发明内容

本发明旨在解决上述缺陷，提供一种碳基材料表面单相SiC保护涂层的制备方法，实现在高温、酸碱环境下的抗腐蚀性，涂层厚度可控且相对致密的单相SiC保护涂层。

为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种碳基材料表面单相SiC保护涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1：根据比例称量将单相的SiC粉末、Si粉末、石墨粉末混合，SiC粉末颗粒度<0.5μm，纯度99.8%，Si粉颗粒度<0.5μm，纯度99.9%，石墨粉D50<600nm，纯度99.8%，加入分散剂KD-1和增塑粘结剂PVA，增塑粘结剂PVA分子量67000，最后加入溶剂无水乙醇,进行球磨处理24-48小时；

S2：对获得的浆料在真空状态下通过磁力搅拌器进行除泡处理1小时；

S3：将处理后的浆料均匀涂覆于碳基材料试件表面之上，涂覆厚度50-100μm;

S4：将涂覆后的试件放置于干燥箱中干燥处理，干燥温度为100°C，时间不少于12小时；

S5：将所获得的试件在1600-1800°C、Ar气氛下高温煅烧2小时，试件表面即可具备10-20μm厚度的相对致密的单相SiC保护涂层。

根据本发明的另一个实施例，进一步所述步骤S1中，添加的Si粉末量是SiC量的2.5mol-10mol%、石墨粉末量是SiC量的2.5-10mol%，无水乙醇质量是Si粉末量、SiC粉末和石墨粉末三种粉末总质量的30-60%，KD-1质量是Si粉末量、SiC粉末和石墨粉末三种粉末总质量的1-10%，PVA质量是Si粉末量、SiC粉末和石墨粉末三种粉末总质量的1-10%。

本发明的有益效果是：通过把SiC、Si和石墨三种粉末，以及分散剂、增塑粘结剂和溶剂等按照一定配方混合均匀，经高温煅烧后，在碳基材料试件表面获得相对致密的单相SiC保护涂层，具有优良的物理化学稳定性，可应用于石墨坩埚、石墨紧固件等在强酸碱环境下的耐腐蚀防护，例如对灰度、杂质要求等级较高的芯片CVD生长室，以及炭/炭复合材料产品在1400°C及以下长时间的抗氧化保护，本发明方法简便、效率高，涂层致密、厚度可控、期间无复杂工艺，成本较低，不涉及复杂的酸碱等化学处理，该技术路线也为发展其他新型碳化物防护涂层材料提供了新思路。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是实施例1获得的SiC涂层材料的X射线衍射谱；

图2是实施例2获得的SiC涂层材料的X射线衍射谱；

图3是实施例3制备得到的SiC涂层的X射线衍射谱；

图4是实施例1制备得到的SiC涂层的扫描电子显微镜图；

图5是实施例2制备得到的SiC涂层的扫描电子显微镜图；

图6是实施例3制备得到的SiC涂层的扫描电子显微镜图；

图7是本发明涂覆烧结后得到的SiC涂层的扫描电子显微镜涂层截面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

一种碳基材料表面单相SiC保护涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1：根据比例称量将单相的SiC粉末、Si粉末、石墨粉末混合，SiC粉末颗粒度<0.5μm，纯度99.8%，Si粉颗粒度<0.5μm，纯度99.9%，石墨粉D50<600nm，纯度99.8%，加入分散剂KD-1和增塑粘结剂PVA，增塑粘结剂PVA分子量67000，最后加入溶剂无水乙醇,进行球磨处理24-48小时，使用分散剂可以阻止涂层材料中的粉末原料的聚集，提高涂层材料中成分的均匀性，同时粘结剂可以阻止不同原料粉末在混合过程中的分层现象，从而提高成分均匀性，无水乙醇的高挥发性有利于后续涂层材料获得较好的厚度均匀性、组分均匀性和性质均匀性；

S2：对获得的浆料在真空状态下通过磁力搅拌器进行除泡处理1小时，除泡处理的过程有利于提高涂层致密度，使浆料具有较好的浓度，从而保证涂层的厚度均匀性;

S3：将处理后的浆料均匀涂覆于石墨试件表面之上，如石墨坩埚、石墨件或经石墨化处理后的炭/炭复合材料，涂覆厚度50-100μm;

S5：将所获得的涂层在1600-1800°C、Ar气氛下高温煅烧2小时，惰性气氛下煅烧可以有效避免氧化物杂相的产生，从而避免杂相相对低的熔点对涂层材料性能的影响，如图7所示，试件表面即获得10-20μm厚度相对致密的单相SiC涂层，在高温下发生化学反应的Si粉末和石墨粉末、以及高温煅烧挥发分解掉有机粘结剂与分散剂等，实现单相致密的SiC涂层材料，SiC材料自身的物理化学稳定性，有利于实现其高温、酸碱环境下的抗腐蚀性。

所述步骤S1中，添加的Si粉末量是SiC量的2.5mol-10mol%、石墨粉末量是SiC量的2.5-10mol%，无水乙醇质量是Si粉末量、SiC粉末和石墨粉末三种粉末总质量的30-60%，KD-1质量是Si粉末量、SiC粉末和石墨粉末三种粉末总质量的1-10%，PVA质量是Si粉末量、SiC粉末和石墨粉末三种粉末总质量的1-10%。

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例1

称量5.0克SiC粉末、0.0876克Si粉末、0.0375克石墨粉末、1.538克无水乙醇、0.0513克KD-1、0.0513克PVA，放入球磨罐，然后球磨24小时；将球磨后的浆料进行除泡处理，方法是将浆料倒入烧杯，放入容器，进行磁力搅拌并抽真空1小时；把除泡后的浆料均匀涂刷到抛光处理后的石墨试件表面之上，放入干燥箱干燥处理，温度100°C，时间24小时；将干燥处理后的涂层放入高温炉中并通入Ar气，在1600°C下煅烧2小时。

图1是上述实施例1制备得到的SiC涂层的X射线衍射谱，可以看出，所有衍射峰来源于SiC，这说明样品具有单相结构，图4是上述实施例1制备得到的SiC涂层的扫描电子显微镜图，可以看出，涂层具有相对致密的微结构。

实施例2

称量5.0克SiC粉末、0.175克Si粉末、0.075克石墨粉末、3.150克无水乙醇、0.0525克KD-1、0.0525克PVA，放入球磨罐，然后球磨24小时；将球磨后的浆料进行除泡处理，方法是将浆料倒入烧杯，放入容器，进行磁力搅拌并抽真空1小时；把除泡后的浆料均匀涂刷到抛光处理后的石墨试件表面之上，放入干燥箱干燥处理，温度100°C，时间24小时；将干燥处理后的涂层放入高温炉中并通入Ar气，在1800°C下煅烧2小时。

图2是上述实施例2制备得到的SiC涂层的X射线衍射谱，可以看出，所有衍射峰来源于SiC，这说明样品具有单相结构，图5是上述实施例2制备得到的SiC涂层的扫描电子显微镜图，可以看出，涂层具有相对致密的微结构。

实施例3

称量5.0克SiC粉末、0.350克Si粉末、0.150克石墨粉末、3.30克无水乙醇、0.55克KD-1、0.55克PVA，放入球磨罐，然后球磨24小时；将球磨后的浆料进行除泡处理，方法是将浆料倒入烧杯，放入容器，进行磁力搅拌并抽真空1小时；把除泡后的浆料均匀涂刷到抛光处理后的石墨试件表面之上，放入干燥箱干燥处理，温度100°C，时间24小时；将干燥处理后的涂层放入高温炉中并通入Ar气，在1800°C下煅烧2小时。

图3是上述实施例3制备得到的SiC涂层的X射线衍射谱，可以看出，所有衍射峰来源于SiC，这说明样品具有单相结构，图6是上述实施例3制备得到的SiC涂层的扫描电子显微镜图，可以看出，涂层具有相对致密的微结构。

电子显微镜SEM测试步骤及条件：（1）石墨试件及SiC具有良好的导电性，干燥试件表面和掰开的断面，直接放入干燥无油的SEM腔体中，（2）抽真空至2´10（-6）mbar以下开始测试，（3）测试电压5 kV。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种碳基材料表面单相SiC保护涂层的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

S3：将处理后的浆料均匀涂覆于碳基材料试件表面之上，涂覆厚度50-100μm；

S5：将所获得的试件在1600-1800°C、Ar气氛下高温煅烧2小时，试件表面即获得10-20μm厚度的致密的单相SiC涂层。

2.如权利要求1所述的一种碳基材料表面单相SiC保护涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，添加的Si粉末量是SiC量的2.5mol-10mol%、石墨粉末量是SiC量的2.5-10mol%，无水乙醇质量是Si粉末量、SiC粉末和石墨粉末三种粉末总质量的30-60%，KD-1质量是Si粉末量、SiC粉末和石墨粉末三种粉末总质量的1-10%，PVA质量是Si粉末量、SiC粉末和石墨粉末三种粉末总质量的1-10%。