CN1257308C - 一种刚玉—莫来石复相陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由化学气相沉积结合后处理制备刚玉-莫来石复相陶瓷涂层方法，其特征在于化学气相沉积过程温度为450～650℃，气相系统为AlCl3-SiCl4-H2-CO2，后处理条件为1250℃处理2小时。刚玉-莫来石复相陶瓷中刚玉含量通过AlCl3流量/SiCl4流量控制。H2流量/CO2流量之比可调整为5/1或者2/1，H2流量/CO2流量之比为5/1时，复合氧化物涂层的微结构为柱状，H2流量/CO2流量之比为2/1时，复合氧化物涂层的微结构为等轴状。本发明制备的复合氧化物涂层，与基体结合强度高，具有优越的抗冲刷性；该复合氧化物涂层经过1250℃热处理即转化为刚玉(α-Al2O3)-莫来石复相涂层。通过X-射线衍射半定量分析，该方法制备的刚玉-莫来石复相陶瓷中，刚玉含量为32wt%，莫来石含量为68wt%。

Description

一种刚玉-莫来石复相陶瓷涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，简称CVD法)制造刚玉-莫来石复相陶瓷涂层材料的方法，适用于制备碳纤维增韧碳基复合材料、碳纤维或碳化硅纤维增韧碳化硅等非氧化物陶瓷基复合材料防氧化涂层，也适用于金属刀具等耐磨、绝热涂层的制备。
背景技术
莫来石或刚玉-莫来石复相陶瓷被认为是C/C、C/SiC等非氧化物复合材料理想的高温防氧化抗冲刷涂层材料，一般采用溶胶-凝胶法制备，但是溶胶-凝胶法制备的涂层有较多孔隙，而且与复合材料结合强度低，容易脱落。
1998年，Vinod Sarin申请了化学气相沉积法制备SiC基材料用防氧化抗冲刷莫来石涂层专利，其核心是采用了AlCl3-SiCl4-H2-CO2气相系统，制备温度约为950～1050℃。但是由于制备温度高，AlCl3、SiCl4水解速率快，容易产生气相形核，所以制备的莫来石涂层与SiC基体结合强度弱。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种由化学气相沉积结合后处理制备刚玉-莫来石复相陶瓷涂层方法，其特征在于化学气相沉积过程温度为450～650℃，气相系统为AlCl3-SiCl4-H2-CO2，后处理条件为1250℃处理2小时。
刚玉-莫来石复相陶瓷中刚玉含量通过AlCl3流量/SiCl4流量控制。
H2流量/CO2流量之比可调整为5/1或者2/1，H2流量/CO2流量之比为5/1时，复合氧化物涂层的微结构为柱状，H2流量/CO2流量之比为2/1时，复合氧化物涂层的微结构为等轴状。
450～650℃化学气相沉积产物为γ-Al2O3结合无定型SiO2的致密复合氧化物涂层，其DSC曲线在983.6℃有一较为尖锐放热峰，在1239.9℃有一较弱吸热峰。
化学气相沉积制备的γ-Al2O3结合无定型SiO2的致密复合氧化物涂层需经1250℃热处理转化为刚玉-莫来石复相陶瓷涂层。
本发明的优点是：实施该发明所用设备为一般化学气相沉积炉，在450～650℃的温度下能够沉积出致密的γ-Al2O3结合无定型SiO2的复合氧化物涂层，与基体结合强度高，具有优越的抗冲刷性；该复合氧化物涂层经过1250℃热处理即转化为刚玉(α-Al2O3)-莫来石复相涂层。通过X-射线衍射半定量分析，该方法制备的刚玉-莫来石复相陶瓷中，刚玉含量为32wt％，莫来石含量为68wt％。
具体实施方案
以石墨纸为基底通过化学气相沉积法制备刚玉结合莫来石涂层，其中工艺参数为：
AlCl3温度：130℃
AlCl3载气流量(H2)：200ml/min
SiCl4载气流量(H2)：随室温变化按表1调整
AlCl3流量/SiCl4流量：2/1
CO2流量：75ml/min
稀释气H2流量：200～400ml/min
沉积温度：550℃
沉积时间：30小时
                                     表1.进入SiCl4鼓泡瓶中的载气流量随温度变化调整对照表
  室温/℃   SiCl4/(kpa)饱和蒸汽压   AlCl3/SiCl4＝2/1*   AlCl3/SiCl4＝3/1   AlCl3/SiCl4＝4/1   AlCl3/SiCl4＝5/1
  20   26.0848   7.417424   4.944949   3.708712   2.96697
  21   27.2724   7.118639   4.745759   3.55932   2.847456
  22   28.4992   6.835375   4.556917   3.417688   2.73415
  23   29.7657   6.566722   4.377815   3.283361   2.626689
  24   31.0727   6.31176   4.20784   3.15588   2.524704
  25   32.4208   6.069676   4.046451   3.034838   2.427871
  26   33.8107   5.839693   3.893129   2.919847   2.335877
  27   35.2429   5.621117   3.747411   2.810558   2.248447
  28   36.7182   5.41325   3.608834   2.706625   2.1653
  29   38.2372   5.215475   3.476983   2.607738   2.08619
  30   39.8005   5.027211   3.351474   2.513605   2.010884
  31   41.4088   4.847903   3.231936   2.423952   1.939161
  32   43.0628   4.677035   3.118023   2.338517   1.870814
  33   44.7631   4.514132   3.009422   2.257066   1.805653
  34   46.5103   4.358753   2.905835   2.179376   1.743501
  35   48.3051   4.210472   2.806981   2.105236   1.684189
  36   50.1482   4.068892   2.712595   2.034446   1.627557
  37   50.8   4.029684   2.686456   2.014842   1.611874
*AlCl3/SiCl4表示AlCl3流量与SiCl4流量的比率。
沉积产物为半透明膜，与石墨纸结合强度大，不易分离。对其进行X-射线衍射分析，结果见图1，表明沉积物为γ-Al2O3结合无定型SiO2的复合氧化物，其中石墨峰为石墨纸。将该复合氧化物进行差热分析(DSC)，结果见图2。为避免石墨纸氧化对DSC曲线影响，实验过程采用氩气保护。结果表明DSC曲线在792.7℃有一弱的放热峰，在983.6℃有一较尖锐的放热峰，在1239.9℃有一弱的吸热峰。
将550℃制备的复合氧化物分别经800℃、1050℃和1250℃于大气环境下热处理2小时，然后进行X-射线衍射分析，结果分别见图3、图4和图5。由于大气环境下石墨纸氧化成CO或CO2挥发，所以1050℃和1250℃处理后试样的衍射图谱中没有出现石墨峰，而800℃热处理后尚残余部分石墨纸，所以衍射图谱中有弱的石墨峰。衍射结果表明，983.6℃和1239.9℃都是莫来石形成峰，前者是化学气相沉积中达到分子级水平混合的氧化铝与氧化硅反应生成莫来石的放热峰，即γ-氧化铝与无定型氧化硅反应过程；后者是纳米级水平混合的氧化铝与氧化硅反应生成莫来石的吸热峰，由于是纳米级混合，反应温度较高，所以无定型氧化硅转化成β-方石英，γ-氧化铝转化成δ-氧化铝，然后β-方石英再与δ-氧化铝反应生成莫来石。
通过对图5进行X-射线衍射半定量分析，该实施例制备的刚玉-莫来石复相陶瓷中，刚玉含量为32wt％，莫来石含量为68wt％。

Claims (5)

1、一种由化学气相沉积结合后处理制备刚玉-莫来石复相陶瓷涂层方法，其特征在于化学气相沉积过程温度为450～650℃，气相系统为AlCl3-SiCl4-H2-CO2，后处理条件为1250℃处理2小时。
2、根据权利要求1所述的由化学气相沉积结合后处理制备刚玉-莫来石复相陶瓷涂层方法，其特征在于刚玉-莫来石复相陶瓷中刚玉含量通过AlCl3流量/SiCl4流量控制。
3、根据权利要求1所述的由化学气相沉积结合后处理制备刚玉-莫来石复相陶瓷涂层方法，其特征在于H2流量/CO2流量之比可调整为5/1或者2/1，H2流量/CO2流量之比为5/1时，复合氧化物涂层的微结构为柱状，H2流量/CO2流量之比为2/1时，复合氧化物涂层的微结构为等轴状。
4、根据权利要求1所述的由化学气相沉积结合后处理制备刚玉-莫来石复相陶瓷涂层方法，其特征在于450～650℃化学气相沉积产物为γ-Al2O3结合无定型SiO2的致密复合氧化物涂层，其DSC曲线在983.6℃有一较为尖锐放热峰，在1239.9℃有一较弱吸热峰。
5、根据权利要求1所述的由化学气相沉积结合后处理制备刚玉-莫来石复相陶瓷涂层方法，其特征在于化学气相沉积制备的γ-Al2O3结合无定型SiO2的致密复合氧化物涂层需经1250℃热处理转化为刚玉-莫来石复相陶瓷涂层。
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