CN115786876A - 一种利用cvd制备碳化钽涂层的方法及其制品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法，利用钽醇盐和烷烃、氢气进行化学气相沉积在基材表面形成碳化钽涂层。本发明可使基材有效获得优良的耐高温、抗腐蚀、抗摩擦性能，同时具有能够有效控制基材中杂质成分外溢，改善表面光洁度，提高产品美观度的效果，并且实现了大规模工业化生产。

Description

一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法及其制品

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，特别涉及一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法及其制品。

背景技术

碳化钽是一种陶瓷材料，具有超导性，外观呈金黄色，具有高硬度(2100HV0.05)、高熔点(3880℃)、耐腐蚀、不易粘连的优点，是近年来新兴的陶瓷材料，粉末状的碳化钽广泛应用于特种合金的冶炼过程中，碳化钽陶瓷在半导体、化工、冶金、模具加工、航空航天、核工业等领域有着广泛的使用前景，是绝佳的阻挡、屏蔽及耐磨材料。但是因延展性差、易碎、加工成本高昂等制约了其广泛使用。

碳化钽的制备方法主要有碳热还原法、化合法、高温熔盐法、化学气相沉积法和溶胶-凝胶法等。碳热还原法是将钽的氧化物与碳混合在高温下进行一次及二次碳化生成碳化钽，此方法还原温度高、反应速率慢，且只能制备块状或大颗粒状的碳化钽。化合法是一种常见的固相法制备工艺，在一定条件下，钽和碳直接发生化学反应生成碳化钽。高温熔盐法更多应用于改善碳纤维性能。溶胶-凝胶法是将有机钽或钽无机盐作为前驱体，与溶剂发生反应形成溶胶后涂覆在基体上，经凝胶、干燥与烧结后获得碳化钽涂层，此方法周期长且涂层薄，与基体结合力较差，易出现裂纹。

化学气相沉积技术（英文Chemical Vapor Deposition，简称CVD）是应用气态物质在固体上产生化学反应和传输反应等并产生固态沉积物的一种工艺，这种技术不仅应用于耐热物质的涂层，而且还应用于纤维增强复合材料的制备和高纯度金属的精制等，是一个适用范围较广的先进技术领域，且适用于复杂形状或大面积工件的涂层制备。通过CVD方法可以获得结晶度与致密度更高的碳化钽涂层。然而化学气相沉积因其沉积方式皆沿着同一结晶方向进行生长，若有裂缝则容易沿着结晶方向破裂至基材表面，使得涂层保护性降低，此外使用CVD制备碳化钽涂层，过程中产生盐酸副产物，存在危险性。

发明内容

本发明针对现有碳化钽涂层制品的不足，以钽醇盐为前驱体，在氢气与烷烃的混合气流中高温反应，通过化学气相沉积在基体表面制备高纯碳化钽涂层材料，有效解决了现有碳化钽涂层制品的弊端，提供一种具有耐腐蚀、耐磨损、外观质量好、不易粘连的碳化钽涂层制品的制备方法，并降低了生产成本。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法，将钽醇盐作为前驱体，气化后与烷烃、氢气在化学气相沉积设备中进行还原反应，在坯体表面进行沉积，制备成所需的碳化钽涂层。优选的，所述钽醇盐为甲醇钽或乙醇钽其中至少一种。优选的，烷烃是甲烷、乙烷、丙烷其中至少一种。具体包括以下步骤：

①加热步骤，将基材置于CVD的反应室中，对反应室抽真空，并在惰性气体保护下进行加热，所述加热温度为400～500℃；

②沉积步骤，在加热步骤之后，将钽醇盐气体、氢气、烷烃混合气体通入反应室，在15000Pa到20000Pa气压下，温度保持在400～500℃，在基材表面沉积碳化钽涂层；

③冷却步骤，在沉积步骤之后，将所述的碳化钽涂层制品冷却到常温；

④清洁步骤，在冷却至常温后，取出产品并分别使用乙醇清洁产品。

进一步，所述钽醇盐的气化温度为200～300℃。

进一步，所述反应室是不锈钢反应室。

进一步，所述钽醇盐气体与烷烃的体积比例为1:1~2，所述钽醇盐气体与氢气的体积比例为1:1~3。

进一步，所述钽醇盐气体的流量是2~6SLM，烷烃的气体流量2~12SLM，氢气流量2~18SLM。

优选的，所述加热步骤前还包括基材的预处理：将待沉积基材表面经蒸馏水清洗去污后，在150℃~200℃下烘干8~15小时至完全烘干。

一种具有碳化钽涂层的制品，包括基材，以及形成在所述基材表面的碳化钽涂层，其厚度为15~300微米。所述基材包括金属基体、碳材料基体、陶瓷基体以及石英基体。

采用上述方案后，取得的有益效果是：

（1）本发明沉积温度低，反应产物气体无腐蚀性或毒性，对设备要求低，整个生产过程安全可靠，对环境更加友好，适合大规模工业化生产。

（2）本方法制得的碳化钽涂层纯度较高，无杂质。

（3）本发明制备的碳化钽涂层将基材与外界环境有效隔离，可有效保护基材。

（4）在基材表面用化学气相沉积的方法制备抗腐蚀、耐磨损碳化钽隔离涂层，涂层的厚度为15~300微米。

（5）本发明对基材要求较为宽松，可在各种异形面上沉积，且均一性好，结构致密。

附图说明

图1为本发明使用的化学气相沉积设备系统结构示意图；

图2为实施例1碳化钽涂层截面图；

图3为实施例2碳化钽涂层截面图；

图4为实施例2碳化钽涂层截面图（未经过抛光）；

图5为实施例1的碳化钽涂层表面形貌图；

图6为实施例2的碳化钽涂层表面形貌图；

图7为实施例1碳化钽涂层的金相照片。

具体实施方式

碳化钽材料由于熔点高、硬度大，延展性差，一般难以采用机加工艺加工成型，通常所用的热压烧结法难以做到致密无孔隙。因此，化学气相沉积法（CVD）制取碳化钽涂层制品具有重大的意义和广泛的应用前景。

CVD是指高温下的气相反应，例如，金属卤化物、有机金属化合物等的热分解，还原或使它的混合气体在高温下发生化学反应以析出金属、氧化物、碳化物等无机材料的方法。这种技术不仅应用于耐热物质的涂层，而且还应用于纤维增强复合材料的制备和高纯度金属的精制等，是一个适用范围较广的先进技术领域。化学气相沉积技术是应用气态物质在固体上产生化学反应和传输反应等并产生固态沉积物的一种工艺。

使用钽醇盐作为前驱体沉积碳化钽，相比较其他无机或有机钽化合物，具有熔沸点低、经济性好、纯度高、安全易得的特点。作为醇盐，钽醇盐的制备较其他有机化合物更简单，也更容易购买，较低的熔沸点也使它方便气化，有利于沉积过程。

表1沉积应用钽醇盐物理化学性质

钽醇盐	熔点(℃)	沸点(℃)
			甲醇钽 C<sub>5</sub>H<sub>15</sub>O<sub>5</sub>Ta	50	189℃(10 torr)
乙醇钽 C<sub>10</sub>H<sub>25</sub>O<sub>5</sub>Ta	21	155

化学气相沉积是一个复杂的过程，包括了化学反应的热力学与反应的动力学以及传热、传质等多种作用。一方面要控制化学反应在反应室内发生，另一方面要让生成物在坯体表面形成晶核并长大。也就是说化学物质之间有发生化学反应的可能性但并不能保证反应过程一定会高效率地发生，经过多次试验不断优化工艺参数。

乙醇钽与甲烷、氢气的化学反应方程式如下：

2C₁₀H₂₅O₅Ta+2CH₄+H₂——2TaC+10C₂H₅OH

甲醇钽或乙醇钽相比其他钽化合物，具有更低的熔沸点，更容易气化为气体，反应活性也更高，是CVD制备碳化钽涂层的良好原料。甲醇钽或乙醇钽纯度也普遍更高，与其他无机钽化合物相比，甲醇钽或乙醇钽化学气相沉积反应温度低，尾气产物不含HF或HCL，无腐蚀性，对设备要求低，且易于维护，整个生产过程安全可靠，对环境更加友好，无毒无害，更符合当下绿色环保理念。

一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法，包括以下步骤：

(1)用惰性气体对气相沉积设备及所有管道进行冲洗、排空；

(2)将待沉积的坯体清洁去污，干燥后放入反应室内；

(3)排空气相沉积设备在坯体置入过程中进入的非反应所需的气体和杂质；

(4)检查气相沉积设备密封完好后，通过真空泵将气相沉积设备内真空度控制到15000~20000Pa，同时将反应室内温度加热到400~500℃；

(5)将钽醇盐放入气化室内加热至200~300℃，使其气化，将气化后的钽醇盐气体通入混气罐内，钽醇盐气体流量2~6SLM，与此同时，向混气罐内通入烷烃与氢气，氢气流量2~18SLM，烷烃流量2~12SLM，在混气罐内充分混合后，通入反应室在坯体上进行化学气相沉积反应，反应一定时间，在基体表面形成15~300微米的碳化钽涂层；

（6）断开加热电源，停止加热，反应室自然降温；当反应室内温度下降到60℃以下后，关闭真空泵，开排气阀，打开反应室，取出已完成制备的碳化钽涂层材料。

其中，化学气相沉积设备包括气化室与反应室。如图1所示，化学气相沉积设备1中具有反应室11，沉积工件12（如坯体）放置于反应室11内，反应室11设有两个通气口，其中一个连接进气管道13，另一个连接真空管道14。反应室11还设有可对反应室加热的加热装置（图中未示出），真空管道14的外端连接至真空泵17。进气管道13连接至一混气罐16，混气罐16连接有至少一个通气管道161，本实施例中设有两个，以从通气管道161内分别通入还原气体及惰性氩气。混气罐16连接一气化室15，气化室15可对乙醇钽进行加热气化，气化后的乙醇钽气体进入混气罐16与其他气体充分混合。反应气体流量通过气体控制装置18进行调节。

在气化室中将钽醇盐用热能将其气化，使其成为气体状态。气体反应物在反应室内进行反应，将蒸气转化为钽沉积层。

气相沉积的反应室采用不锈钢反应室，可以保证长期稳定运行，为最佳选择。

步骤(1)-(3)的目的是为了增加涂层或复合材料与坯体之间的结合力，在进行化学气相沉积前进行预处理。可以选择其他不与反应物发生化学反应的惰性气体，如氩气或氖气或氩气与氖气的混合气体等。

步骤(4)中，反应室温度需要确保钽醇盐与烷烃、氢气的混合气体可以充分反应，但反应室温度不宜太高，否则在未接触坯体之前的其它地方过早地进行化学沉积反应。

用于本发明的烷烃气体可以是具有1-3个碳原子的低级烷烃，即甲烷、乙烷、丙烷或它们的混合物，优选甲烷。采用甲烷与甲醇钽或乙醇钽气体制备碳化钽，与其他烃类相比较，甲烷气体最大的优势是副产物少且安全。制备过程中反应温度、真空度、反应气体流量及比例对沉积反应的进行速度以及沉积层的组织及性能有主要影响。甲烷气体与钽醇盐气体及氢气的比例关系影响到反应物的浓度，反应物浓度过低或过高影响沉积效率。反应气体在坯体表面要有足够的停留时间参与反应，沉积速率受反应气体与坯体表面上所发生的附吸及解吸过程所控制。当气体流量增加，单位时间内参与反应的源物质增加，有利于反应向生成物方向进行，沉积速率增加。但是当气体流量超出一定范围时，则会有部分气体不参与反应直接从坯体表面穿过，造成浪费。化学气相沉积制备过程中工艺参数如反应室温度、设备真空度、反应气体流量及比例、钽醇盐气化温度、沉积时间以及热处理工艺对所制得产品的材料性能均有影响，它们之间是相互制约、相互弥补的关系，在进行工艺调整时须统一分析与调整。

优选的，将钽醇盐气体、烷烃与氢气在混气罐内充分混合后，再通入反应室进行化学气相沉积反应，混合进气可以使得沉积更加均匀，不会有过量沉积和未沉积现象发生。

为了进一步解释本发明的技术方案，以下通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。工业化生产中，考虑到经济成本，实施例中均以氩气作为惰性气体进行保护，亦可推广至其他不参与化学反应的惰性气体。以下实施例将有助于本领域的研究人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提之下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。

以下测试设备若未特殊说明则使用通用设备，不影响最终结果的判定；电子显微镜为赛默飞Apero2、元素分析仪为赛默飞Flash 2000、ICP为岛津ICPE-9000。

实施例1

化学气相沉积设备为不锈钢反应室。

所用材料及试剂如下：高纯石墨坯体（30mm*40mm*50mm）、高纯甲烷（99.999%）、高纯氢气（99.999%）高纯氩气(99.999％)；高纯乙醇钽(99.99％)；实施步骤如下：

(1)化学气相沉积设备抽真空到500Pa真空状态，并保持15分钟500Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，再通入氩气充到常压状态，使氩气充满反应室和所有真空管道，开放气阀排空，继续通入氩气10分钟，关闭排气阀，通过以上步骤，排空气相沉积设备内残留的各种气体和杂质；

(2)将高纯石墨坯体经蒸馏水清洗去污后，在170℃下烘干8小时后，放入反应室内，保证坯体待沉积面正对反应气体出口方向，且各坯体之间互相不重叠，不阻挡；

(3)抽真空到1000Pa真空状态，并保持15分钟1000Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，再通入氩气充到常压状态，使氩气充满反应室和所有真空管道，开放气阀排空，继续通入氩气15分钟，关闭排气阀，通过以上步骤，排空气相沉积设备坯体置入过程中进入的各种气体和杂质；

(4)抽真空到1000Pa真空状态，并保持10分钟1000Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，通过真空泵将气相沉积设备内真空度控制到500Pa，同时将反应室内温度加热到500℃；

(5)将乙醇钽放入气化室内加热至200℃，使其气化，将气化后的乙醇钽气体通入混气罐内，与此同时，向混气罐内通入氢气和甲烷气体，乙醇钽、甲烷、氢气三种气体比例为1：1：1，流量分别为2SLM、2SLM、2SLM，在混气罐内充分混合后，通入反应室在坯体上进行化学气相沉积反应，反应3小时；制备成碳化钽涂层石墨材料；

(6)断开加热电源，反应室自然降温；当反应室内温度下降到60℃以下后，关闭真空泵，继续通入氩气，待反应室充至常压后停止通入氩气，开排气阀，打开反应室，取出已完成制备的碳化钽涂层石墨材料。

使用电子显微镜，对制备的碳化钽涂层石墨材料的碳化钽涂层厚度进行了检测，检测结果表明涂层厚度为23μm。按ISO 4624-2016涂层附着力测试标准，对制备的碳化钽涂层石墨材料的碳化钽涂层附着力进行了检测，经测试剥离强度为23MPa，石墨基材被拉断，涂层无脱离。图2为实施例1碳化钽涂层截面图，图5为实施例1的碳化钽涂层表面形貌图，图7为金相图，均无开裂现象。通过X射线光电子能谱(XPS )分析碳化钽涂层，测定到除Ta、C、O元素外，无其他元素。氧元素是来自样品在大气中吸附的氧气和二氧化碳，在XPS测试中难以除去。

实施例2

化学气相沉积设备为不锈钢反应室。

所用材料及试剂如下：高纯石墨坯体（100mm*50mm*20mm）、高纯甲烷（99.999%）、高纯氢气（99.999%）高纯氩气(99.999％)；高纯乙醇钽(99.99％)；实施步骤如下：

(1)化学气相沉积设备抽真空到500Pa真空状态，并保持15分钟500Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，再通入氩气充到常压状态，使氩气充满反应室和所有真空管道，开放气阀排空，继续通入氩气10分钟，关闭排气阀，通过以上步骤，排空气相沉积设备内残留的各种气体和杂质；

(2)将高纯石墨坯体经蒸馏水清洗去污后，在150℃下烘干8小时后，放入反应室内，保证坯体待沉积面正对反应气体出口方向，且各坯体之间互相不重叠，不阻挡；

(3)抽真空到1000Pa真空状态，并保持15分钟1000Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，再通入氩气充到常压状态，使氩气充满反应室和所有真空管道，开放气阀排空，继续通入氩气15分钟，关闭排气阀，通过以上步骤，排空气相沉积设备坯体置入过程中进入的各种气体和杂质；

(4)抽真空到1000Pa真空状态，并保持10分钟1000Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，通过真空泵将气相沉积设备内真空度控制到1000Pa，同时将反应室内温度加热到450℃；

(5)将乙醇钽放入气化室内加热至200℃，使其气化，将气化后的乙醇钽气体通入混气罐内，与此同时，向混气罐内通入氢气和甲烷气体，乙醇钽、甲烷、氢气三种气体比例为1：1：1，流量分别为2SLM、2SLM、2SLM，在混气罐内充分混合后，通入反应室在坯体上进行化学气相沉积反应，反应10小时；制备成碳化钽涂层石墨材料；

(6)断开加热电源，反应室自然降温；当反应室内温度下降到60℃以下后，关闭真空泵，继续通入氩气，待反应室充至常压后停止通入氩气，开排气阀，打开反应室，取出已完成制备的碳化钽涂层石墨碳材料。

使用电子显微镜，对制备的碳化钽涂层石墨材料的碳化钽涂层厚度进行了检测，检测结果表明涂层厚度为75μm。图3-图4为实施例2碳化钽涂层截面图，图6为实施例2的碳化钽涂层表面形貌图，均无开裂现象。通过X射线光电子能谱(XPS )分析碳化钽涂层，测定到除Ta、C、O元素外，无其他元素。氧元素是来自样品在大气中吸附的氧气和二氧化碳，在XPS测试中难以除去。

实施例3

化学气相沉积设备为不锈钢反应室。

所用材料及试剂如下：高纯石墨坯体（30mm*30mm*30mm）、高纯甲烷（99.999%）、高纯氢气（99.999%）高纯氩气(99.999％)；高纯乙醇钽(99.99％)；实施步骤如下：

(1)化学气相沉积设备抽真空到500Pa真空状态，并保持15分钟500Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，再通入氩气充到常压状态，使氩气充满反应室和所有真空管道，开放气阀排空，继续通入氩气10分钟，关闭排气阀，通过以上步骤，排空气相沉积设备内残留的各种气体和杂质；

(2)将高纯坯体经蒸馏水清洗去污后，在150℃下烘干8小时后，放入反应室内，保证坯体待沉积面正对反应气体出口方向，且各坯体之间互相不重叠，不阻挡；

(3)抽真空到1000Pa真空状态，并保持15分钟1000Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，再通入氩气充到常压状态，使氩气充满反应室和所有真空管道，开放气阀排空，继续通入氩气15分钟，关闭排气阀，通过以上步骤，排空气相沉积设备坯体置入过程中进入的各种气体和杂质；

(4)抽真空到1000Pa真空状态，并保持10分钟1000Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，通过真空泵将气相沉积设备内真空度控制到15000Pa，同时将反应室内温度加热到400℃；

(5)将乙醇钽放入气化室内加热至200℃，使其气化，将气化后的乙醇钽气体通入混气罐内，与此同时，向混气罐内通入氢气和甲烷气体，乙醇钽、甲烷、氢气三种气体比例为1：1：2，流量分别为2SLM、2SLM、4SLM，在混气罐内充分混合后，通入反应室在坯体上进行化学气相沉积反应，反应10小时；制备成碳化钽涂层石墨材料；

(6)断开加热电源，反应室自然降温；当反应室内温度下降到60℃以下后，关闭真空泵，继续通入氩气，待反应室充至常压后停止通入氩气，开排气阀，打开反应室，取出已完成制备的碳化钽涂层石墨材料。

使用电子显微镜，对制备的碳化钽涂层石墨材料的碳化钽涂层厚度进行了检测，检测结果表明涂层厚度为80μm。按ISO 4624-2016涂层附着力测试标准，对制备的碳化钽涂层石墨材料的碳化钽涂层附着力进行了检测，经测试剥离强度为22MPa，石墨基材被拉断，涂层无脱离。采用扫描电镜观察涂层的表面形貌均无开裂现象。通过X射线光电子能谱(XPS)分析碳化钽涂层，测定到除Ta、C、O元素外，无其他元素。氧元素是来自样品在大气中吸附的氧气和二氧化碳，在XPS测试中难以除去。

实施例4

化学气相沉积设备为不锈钢反应室。

所用材料及试剂如下：高纯碳/碳坯体（30mm*30mm*30mm）、高纯甲烷（99.999%）、高纯氢气（99.999%）高纯氩气(99.999％)；高纯乙醇钽(99.99％)；实施步骤如下：

(1)化学气相沉积设备抽真空到500Pa真空状态，并保持15分钟500Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，再通入氩气充到常压状态，使氩气充满反应室和所有真空管道，开放气阀排空，继续通入氩气10分钟，关闭排气阀，通过以上步骤，排空气相沉积设备内残留的各种气体和杂质；

(2)将高纯碳/碳坯体经蒸馏水清洗去污后，在150℃下烘干8小时后，放入反应室内，保证坯体待沉积面正对反应气体出口方向，且各坯体之间互相不重叠，不阻挡；

(3)抽真空到1000Pa真空状态，并保持15分钟1000Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，再通入氩气充到常压状态，使氩气充满反应室和所有真空管道，开放气阀排空，继续通入氩气15分钟，关闭排气阀，通过以上步骤，排空气相沉积设备坯体置入过程中进入的各种气体和杂质；

(4)抽真空到1000Pa真空状态，并保持10分钟1000Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，通过真空泵将气相沉积设备内真空度控制到15000Pa，同时将反应室内温度加热到400℃；

(5)将乙醇钽放入气化室内加热至200℃，使其气化，将气化后的乙醇钽气体通入混气罐内，与此同时，向混气罐内通入氢气和甲烷气体，乙醇钽、甲烷、氢气三种气体比例为1：1：2，流量分别为2SLM、2SLM、4SLM，在混气罐内充分混合后，通入反应室在坯体上进行化学气相沉积反应，反应10小时；制备成碳化钽涂层碳/碳材料；

(6)断开加热电源，反应室自然降温；当反应室内温度下降到60℃以下后，关闭真空泵，继续通入氩气，待反应室充至常压后停止通入氩气，开排气阀，打开反应室，取出已完成制备的碳化钽涂层碳/碳材料。

使用电子显微镜，对制备的碳化钽涂层碳/碳材料的碳化钽涂层厚度进行了检测，检测结果表明涂层厚度为78μm。按ISO 4624-2016涂层附着力测试标准，对制备的碳化钽涂层石墨材料的碳化钽涂层附着力进行了检测，经测试剥离强度为127MPa，碳/碳基材上表面被剥离，涂层无脱离。采用扫描电镜观察涂层的表面形貌均无开裂现象。通过X射线光电子能谱(XPS )分析碳化钽涂层，测定到除Ta、C、O元素外，无其他元素。氧元素是来自样品在大气中吸附的氧气和二氧化碳，在XPS测试中难以除去。

实施例5

化学气相沉积设备为不锈钢反应室。

所用材料及试剂如下：高纯石墨坯体（30mm*30mm*30mm）、高纯甲烷（99.999%）、高纯氢气（99.999%）高纯氩气(99.999％)；高纯乙醇钽(99.99％)；实施步骤如下：

(1)化学气相沉积设备抽真空到500Pa真空状态，并保持15分钟500Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，再通入氩气充到常压状态，使氩气充满反应室和所有真空管道，开放气阀排空，继续通入氩气10分钟，关闭排气阀，通过以上步骤，排空气相沉积设备内残留的各种气体和杂质；

(2)将高纯坯体经蒸馏水清洗去污后，在150℃下烘干8小时后，放入反应室内，保证坯体待沉积面正对反应气体出口方向，且各坯体之间互相不重叠，不阻挡；

(3)抽真空到1000Pa真空状态，并保持15分钟1000Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，再通入氩气充到常压状态，使氩气充满反应室和所有真空管道，开放气阀排空，继续通入氩气15分钟，关闭排气阀，通过以上步骤，排空气相沉积设备坯体置入过程中进入的各种气体和杂质；

(4)抽真空到1000Pa真空状态，并保持10分钟1000Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，通过真空泵将气相沉积设备内真空度控制到15000Pa，同时将反应室内温度加热到400℃；

(5)将乙醇钽放入气化室内加热至200℃，使其气化，将气化后的乙醇钽气体通入混气罐内，与此同时，向混气罐内通入氢气和甲烷气体，乙醇钽、甲烷、氢气三种气体比例为1：2：3，流量分别为6SLM、12SLM、18SLM，在混气罐内充分混合后，通入反应室在坯体上进行化学气相沉积反应，反应2小时；制备成碳化钽涂层石墨材料；

(6)断开加热电源，反应室自然降温；当反应室内温度下降到60℃以下后，关闭真空泵，继续通入氩气，待反应室充至常压后停止通入氩气，开排气阀，打开反应室，取出已完成制备的碳化钽涂层石墨材料。

使用电子显微镜，对制备的碳化钽涂层石墨材料的碳化钽涂层厚度进行了检测，检测结果表明涂层厚度为58μm。按ISO 4624-2016涂层附着力测试标准，对制备的碳化钽涂层石墨材料的碳化钽涂层附着力进行了检测，经测试剥离强度为24MPa，石墨基材被拉断，涂层无脱离。采用扫描电镜观察涂层的表面形貌均无开裂现象。通过X射线光电子能谱(XPS)分析碳化钽涂层，测定到除Ta、C、O元素外，无其他元素。氧元素是来自样品在大气中吸附的氧气和二氧化碳，在XPS测试中难以除去。

实施例6

化学气相沉积设备为不锈钢反应室。

所用材料及试剂如下：高纯石墨坯体（30mm*30mm*30mm）、高纯甲烷（99.999%）、高纯氢气（99.999%）高纯氩气(99.999％)；高纯乙醇钽(99.99％)；实施步骤如下：

(1)化学气相沉积设备抽真空到500Pa真空状态，并保持15分钟500Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，再通入氩气充到常压状态，使氩气充满反应室和所有真空管道，开放气阀排空，继续通入氩气10分钟，关闭排气阀，通过以上步骤，排空气相沉积设备内残留的各种气体和杂质；

(2)将高纯坯体经蒸馏水清洗去污后，在150℃下烘干8小时后，放入反应室内，保证坯体待沉积面正对反应气体出口方向，且各坯体之间互相不重叠，不阻挡；

(3)抽真空到1000Pa真空状态，并保持15分钟1000Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，再通入氩气充到常压状态，使氩气充满反应室和所有真空管道，开放气阀排空，继续通入氩气15分钟，关闭排气阀，通过以上步骤，排空气相沉积设备坯体置入过程中进入的各种气体和杂质；

(4)抽真空到1000Pa真空状态，并保持10分钟1000Pa真空状态，检查气相沉积设备密封完好后，通过真空泵将气相沉积设备内真空度控制到20000Pa，同时将反应室内温度加热到500℃；

(5)将乙醇钽放入气化室内加热至300℃，使其气化，将气化后的乙醇钽气体通入混气罐内，与此同时，向混气罐内通入氢气和甲烷气体，乙醇钽、甲烷、氢气三种气体比例为1：2：3，流量分别为2SLM、4SLM、6SLM，在混气罐内充分混合后，通入反应室在坯体上进行化学气相沉积反应，反应8小时；制备成碳化钽涂层石墨材料；

(6)断开加热电源，反应室自然降温；当反应室内温度下降到60℃以下后，关闭真空泵，继续通入氩气，待反应室充至常压后停止通入氩气，开排气阀，打开反应室，取出已完成制备的碳化钽涂层石墨材料。

使用电子显微镜，对制备的碳化钽涂层石墨材料的碳化钽涂层厚度进行了检测，检测结果表明涂层厚度为51μm。按ISO 4624-2016涂层附着力测试标准，对制备的碳化钽涂层石墨材料的碳化钽涂层附着力进行了检测，经测试剥离强度为23MPa，石墨基材被拉断，涂层无脱离。采用扫描电镜观察涂层的表面形貌均无开裂现象。通过X射线光电子能谱(XPS)分析碳化钽涂层，测定到除Ta、C、O元素外，无其他元素。氧元素是来自样品在大气中吸附的氧气和二氧化碳，在XPS测试中难以除去。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，如反应温度、气化温度、气体流量等参数上的变化，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法，其特征在于，将钽醇盐作为前驱体，气化后与烷烃、氢气在化学气相沉积设备中进行还原反应，在坯体表面进行沉积，制备成所需的碳化钽涂层；所述钽醇盐为甲醇钽或乙醇钽其中至少一种。

2.根据权利要求1所述的一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法，其特征在于，所述烷烃是甲烷、乙烷、丙烷其中至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

加热步骤，将基材置于CVD的反应室中，对反应室抽真空，并在惰性气体保护下进行加热，所述加热温度为400~500℃；

沉积步骤，在加热步骤之后，将钽醇盐气体、烷烃、氢气混合气体通入反应室，在15000Pa到20000Pa气压下，同时将温度保持在400~500℃加热，在基材表面沉积碳化钽涂层；

冷却步骤，在沉积步骤之后，将所述的碳化钽涂层制品冷却到常温。

4.根据权利要求3所述的一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法，其特征在于，所述钽醇盐的气化温度为200~300℃。

5.根据权利要求3所述的一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法，其特征在于，所述反应室是不锈钢反应室。

6.根据权利要求3所述的一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法，其特征在于，所述钽醇盐气体与所述烷烃的体积比例为1:1~2，所述钽醇盐气体与氢气的体积比例为1:1~3。

7.根据权利要求6所述的一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法，其特征在于，所述钽醇盐气体的流量是2~6SLM，烷烃的气体流量2~12SLM，氢气流量2~18SLM。

8.根据权利要求3所述的一种利用CVD制备碳化钽涂层的方法，其特征在于所述加热步骤前还包括基材的预处理：将待沉积基材表面经蒸馏水清洗去污后，在150℃~200℃下烘干8~15小时至完全烘干。

9.根据权利要求1~8任一项所述制备方法制备的一种具有碳化钽涂层的制品，其特征在于，包括基材，以及形成在所述基材表面的碳化钽涂层，所述碳化钽涂层厚度为15~300微米。

10.根据权利要求9所述的一种具有碳化钽涂层的制品，其特征在于，所述基材包括金属、碳材料、陶瓷以及石英至少其中一种。

Images