一種碳化硅纖維表面氧化物陶瓷涂層的制備方法
【專利摘要】一種碳化硅纖維表面氧化物陶瓷涂層的制備方法，包括以下步驟：（1)將碳化硅纖維去膠、清洗；（2)放入ALD反應(yīng)室內(nèi)，反復(fù)抽真空、置換氮?dú)馊?；?)根據(jù)沉積氧化物涂層的種類，選擇反應(yīng)前驅(qū)體，設(shè)置沉積工藝參數(shù)；（4)在氮?dú)饣驓鍤鈹y帶下將前驅(qū)體蒸汽引入到ALD反應(yīng)室中；（5)用氮?dú)饣驓鍤獯祾叻磻?yīng)室；（6)在氮?dú)饣驓鍤鈹y帶下將氧源蒸汽引入到ALD反應(yīng)室中；（7)用氮?dú)饣驓鍤獯祾叻磻?yīng)室；（8)重復(fù)步驟（4)-步驟（7)，直至沉積到所需涂層厚度；（9)放入高溫管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行熱處理即成。利用本發(fā)明，可在SiC纖維表面制備出均勻、致密、雜質(zhì)少、厚度可精確控制的氧化物陶瓷涂層。
【專利說明】一種碳化硅纖維表面氧化物陶瓷涂層的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及耐高溫抗氧化涂層領(lǐng)域，具體涉及一種采用原子層沉積技術(shù)在碳化硅 纖維表面制備氧化物陶瓷涂層的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 碳化硅（SiC)纖維不僅比強(qiáng)度大、比模量高、線膨脹系數(shù)小，還具有耐高溫、抗腐 蝕、抗蠕變、易編織等特性，是高性能復(fù)合材料的理想增強(qiáng)纖維，廣泛應(yīng)用在航空、航天、核 工業(yè)和武器裝備等高【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0003] 碳化硅纖維雖然具有一定的抗氧化性能，但在高溫氧化環(huán)境長期使用時會發(fā)生氧 化降級，從而影響其服役性能。氧化物陶瓷具有良好的抗氧化性能，因此，在碳化硅纖維表 面制備氧化物陶瓷涂層是提高其抗氧化性能的有效途徑，同時還可以改善纖維增強(qiáng)復(fù)合材 料的界面結(jié)合性能。目前，在碳化硅纖維表面制備氧化物陶瓷涂層的方法主要有溶膠凝膠 法（Sol-Gel)和化學(xué)氣相沉積法（CVD )。
[0004] 溶膠凝膠法是以目標(biāo)元素的有機(jī)醇鹽或無機(jī)鹽為原料，在一定條件下制成溶膠， 將纖維浸膠，由于溶劑的揮發(fā)和縮聚反應(yīng)而凝膠化，再經(jīng)干燥和熱處理在纖維表面得到氧 化物陶瓷涂層。如Baklanova等采用紀(jì)穩(wěn)定氧化锫溶膠在Nicalon SiC纖維表面制備了氧 化鋯涂層（J. Eur. Ceram. Soc.，2006, 26: 1725)。但溶膠凝膠法制得的涂層不均勻，不致密， 干燥過程易產(chǎn)生收縮裂紋和孔隙，一般采用多次浸膠、干燥和熱處理，工藝復(fù)雜性和制備成 本都大大增加，同時涂層后纖維易粘結(jié)在一起。
[0005] 化學(xué)氣相沉積法是將幾種氣態(tài)物質(zhì)輸送至加熱的纖維表面并在該處發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)，反應(yīng)物沉積于纖維表面形成涂層。如Li等以ZrCl 4、CO2和H2為前驅(qū)體，采用化學(xué)氣相 沉積法在 Hi-Nicalon SiC 纖維表面制備了 ZrO2 涂層（J. Am. Ceram. Soc.，2002，85(6) :1561)。但化學(xué)氣相沉積法工藝復(fù)雜，通常需要在較高溫度下進(jìn)行，會劣化纖維本身的力 學(xué)性能，同時反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，涂層中易含雜質(zhì)，此外廢氣處理困難，對環(huán)境會造成污染。
[0006] 原子層沉積技術(shù)（ALD)是通過將氣相前驅(qū)體脈沖交替地通入反應(yīng)室，在沉積基體 上化學(xué)吸附，并反應(yīng)形成沉積膜的一種方法，其表面反應(yīng)具有自限制性。ALD具有沉積溫度 低、無顆粒污染、雜質(zhì)少、反應(yīng)劑的選擇廣泛、精確的厚度控制、沉積厚度均勻性和一致性等 特點(diǎn)。ALD有望在薄膜領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用，但目前還沒有采用ALD在SiC纖維表面制備涂層 的公開報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有溶膠凝膠法與化學(xué)氣相沉積法的不足， 提供一種采用原子層沉積技術(shù)在碳化硅纖維表面制備氧化物陶瓷涂層的方法。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種碳化硅纖維表面氧化物陶瓷涂 層的制備方法，包括以下步驟： (1)將碳化硅纖維去膠、清洗； 將碳化硅纖維束或纖維編織體于40(TC -70(TC氮?dú)鈿夥障聼崽幚?0min-60min以去 膠，緊接著置于丙酮中超聲清洗5min-30min，以去除表面污物，隨后室溫干燥； (2) 將經(jīng)步驟（1)處理過的碳化硅纖維束或纖維編織體放入ALD反應(yīng)室內(nèi)，然后反復(fù)抽 真空、置換氮?dú)馊危?(3) 根據(jù)沉積氧化物涂層的種類，選擇反應(yīng)前驅(qū)體，設(shè)置沉積工藝參數(shù)：沉積溫度 25°C-400°C (優(yōu)選 100°C-300°C)，沉積壓力 0.01 mtorr-760 torr (優(yōu)選 0.1 torr-10 torr)； (4) 在氮?dú)饣驓鍤鈹y帶下將前驅(qū)體蒸汽引入到ALD反應(yīng)室中； (5) 用氮?dú)饣驓鍤獯祾叻磻?yīng)室； (6) 在氮?dú)饣驓鍤鈹y帶下將氧源蒸汽引入到ALD反應(yīng)室中； (7) 用氮?dú)饣驓鍤獯祾叻磻?yīng)室； (8 )重復(fù)步驟（4 )-步驟（7 )，直至沉積到所需涂層厚度； (9)將步驟（8)所得的碳化硅纖維束或纖維編織體放入高溫管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下于 400°C _600°C (優(yōu)選 500°C )熱處理 10min-60min (優(yōu)選 30min)，即成。
[0009] 進(jìn)一步，步驟（1)中，所述碳化硅纖維束或纖維編織體可以是 Nicalon、Hi-Nicalon、Hi-Nicalon S、Tyranno、Sylramic、Siboramic、KD_ I、KD- Π 、KD- ΠΙ牌號的碳化硅纖維束或纖維編織體。
[0010] 進(jìn)一步,步驟（3)中，所述氧化物涂層為氧化锫、氧化鉿、氧化釔、氧化錯、氧化鈦、 氧化硅中的一種或幾種的混合物。
[0011] 進(jìn)一步，步驟（3)中，前驅(qū)體為易揮發(fā)的金屬烷氨基鹽、金屬有機(jī)化合物、鹵化物、 醇鹽、金屬β-二酮絡(luò)合物中的一種或幾種的混合物。
[0012] 進(jìn)一步，步驟（6)中，氧源為水、雙氧水、氧氣、臭氧、醇或原子氧。
[0013] 進(jìn)一步，步驟（4)和步驟（6)中，攜帶氣體流速為5-100sccm (優(yōu)選10_50sccm)，步 驟（5)和步驟（7)中，吹掃氣體流速為10-200sccm (優(yōu)選20-100sccm)。
[0014] 與現(xiàn)有溶膠凝膠法相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：涂層均勻致密；裂紋、孔隙等缺陷 少；厚度能精確控制；操作簡單，重復(fù)性好；纖維表面維持良好形貌，不會粘結(jié)在一起。
[0015] 與現(xiàn)有化學(xué)氣相沉積法相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：沉積溫度低，對纖維損傷?。?反應(yīng)機(jī)理簡單，涂層雜質(zhì)少；易于沉積多組分和混合氧化物涂層；涂層更均勻，厚度控制精 度更高；操作簡單，不需要控制反應(yīng)物流量的均一性；尾氣易處理，對環(huán)境污染小。
[0016] 利用本發(fā)明，可以在SiC纖維表面制備出均勻、致密、雜質(zhì)少、厚度可精確控制的 氧化物陶瓷涂層。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為實(shí)施例1所得氧化鋯涂層SiC纖維的SEM微觀形貌圖； 圖2為實(shí)施例1所得氧化鋯涂層SiC纖維表面的XPS譜圖； 圖3為實(shí)施例1所用未涂層SiC纖維空氣氣氛1200°C處理25h后的SEM微觀形貌圖； 圖4為實(shí)施例1所得氧化鋯涂層SiC纖維空氣氣氛1200°C處理25h后的SEM微觀形 貌圖； 圖5為實(shí)施例1所得氧化鋯涂層SiC纖維與未涂層SiC纖維空氣氣氛1200°C處理不 同時間后重量變化。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0019] 實(shí)施例1 本實(shí)施例包括以下步驟： (1) 將KD-II SiC纖維束于500°C氮?dú)鈿夥障卤?0min以去膠，緊接著置于丙酮中超 聲清洗5min，以去除表面污物，隨后室溫干燥； (2) 將經(jīng)步驟（1)處理過的SiC纖維放入ALD反應(yīng)室中，抽真空、置換氮?dú)馊?，反?yīng)室 升溫至250°C，反應(yīng)室維持在5 torr的壓力； (3) 前驅(qū)體Zr [N(CH3)2]4在15sccm流速的N2攜帶下脈沖進(jìn)入反應(yīng)室，吸附在SiC纖維 上，脈沖時間為〇. 4s，然后用50sccm N2吹洗并帶走剩余的Zr [N(CH3) 2]4, N2吹洗時間為5s， 同樣H2O在IOsccm N2的攜帶下脈沖進(jìn)入反應(yīng)室，并與己化學(xué)吸附在襯底上的Zr [N(CH3) 2]4 反應(yīng)，生成ZrO2，時間為0. ls，隨后過量的水及副產(chǎn)物由50sccm N2吹洗帶出反應(yīng)室，吹洗時 間為l〇s，這樣就完成了一個ALD沉積循環(huán)； (4) 重復(fù)步驟（3) 1000次，得到涂層厚度為100 nm的ZrO2涂層，降溫后取出具有ZrO2 涂層的SiC纖維； (5) 將步驟（4)所得的SiC纖維放入高溫管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行熱處理，熱處理 溫度500°C，保溫30min，即成。
[0020] 本實(shí)施例制得的ZrO2涂層SiC纖維，涂層十分均勻平滑，均勻包覆纖維(如圖1所 示)，XPS譜圖（參見圖2)證實(shí)了涂層中含Zr與0元素，無其它雜質(zhì)，與未涂層纖維相比，涂 層后纖維的高溫抗氧化性能大幅度提高，在1200°C處理25h后，纖維維持原有形貌，沒有出 現(xiàn)明顯的被氧化層(參見圖3、圖4)，僅增重0. 5 wt% (參見圖5)，強(qiáng)度保留率高達(dá)86 %。
[0021] 實(shí)施例2 本實(shí)施例包括以下步驟： (1) 將KD-II SiC纖維束于500°C氮?dú)鈿夥障卤?0min以去膠，緊接著置于丙酮中超 聲清洗5min，以去除表面污物，隨后室溫干燥； (2) 將經(jīng)步驟（1)處理過的SiC纖維放入ALD反應(yīng)室中，抽真空、置換氮?dú)馊?，反?yīng)室 升溫至200°C，壓力維持在3torr ; (3) 前驅(qū)體Hf [N(CH3) (C2H5) ]4在2〇8〇〇11流速的N2攜帶下脈沖進(jìn)入反應(yīng)室，吸附在SiC 纖維上，脈沖時間為0. 4s，然后用6〇SCCm N2吹洗并帶走剩余的Hf [N(CH3) (C2H5) ]4, N2吹洗 時間為5s，同樣臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的O3在5sCCm N2的攜帶下脈沖進(jìn)入反應(yīng)室，并與己化學(xué)吸 附在襯底上的Hf [N(CH3) (C2H5) ]4反應(yīng)，生成HfO2，時間為0. 02s，隨后過量的O3及副產(chǎn)物由 6〇SCCm N2吹洗帶出反應(yīng)室，吹洗時間為5s，這樣就完成了一個ALD沉積循環(huán)； (4) 重復(fù)步驟（3) 1000次，得到涂層厚度為120 nm的HfO2涂層，降溫后取出具有HfO2 涂層的SiC纖維； (5) 將步驟（4)所得的SiC纖維放入高溫管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行熱處理，熱處理 溫度550°C，保溫30min，即成。
[0022] 本實(shí)施例制得的HfO2涂層SiC纖維，表面十分均勻平滑，涂層由Hf、0元素組成， 無其它雜質(zhì)，涂層后纖維具有良好地高溫抗氧化性能，在120(TC處理25h后，纖維維持原有 形貌，僅增重〇. 3wt%，強(qiáng)度保留率高達(dá)91%。
[0023] 實(shí)施例3 本實(shí)施例包括以下步驟： (1) 將Hi-Nicalon SiC纖維束于600°C氮?dú)鈿夥障卤?0min以去膠，緊接著置于丙 酮中超聲清洗5min，以去除表面污物，隨后室溫干燥； (2) 將經(jīng)步驟（1)處理過的SiC纖維放入ALD反應(yīng)室中，抽真空、置換氮?dú)馊?，反?yīng)室 升溫至KKTC，反應(yīng)室壓強(qiáng)維持在IOtorr ; (3) 前驅(qū)體Al (CH3) 3在15sccm流速的N2攜帶下脈沖進(jìn)入反應(yīng)室，吸附在SiC纖維上， 脈沖時間為〇. 〇2s，然后用40 seem N2吹洗并帶走剩余的Al (CH3)3, N2吹洗時間為10s，同 樣臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的〇3在58(^ 111 N2的攜帶下脈沖進(jìn)入反應(yīng)室，并與己化學(xué)吸附在襯底上的 Al (CH3)3反應(yīng)，生成Al2O3，時間為0.02s，隨后過量的O 3及副產(chǎn)物由40 seem N2吹洗帶出反 應(yīng)室，吹洗時間為l〇s，這樣就完成了一個ALD沉積循環(huán)； (4) 重復(fù)步驟（3)1000次，得到涂層厚度為150 nm的Al2O3涂層，降溫后取出具有Al2O3 涂層的SiC纖維； (5) 將步驟（4)所得的SiC纖維放入高溫管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行熱處理，熱處理 溫度450°C，保溫60min，即成。
[0024] 本實(shí)施例制得的Al2O3涂層SiC纖維，表面十分均勻平滑，涂層由Al、0元素組成， 無其它雜質(zhì)，涂層后纖維具有良好地高溫抗氧化性能，在120(TC處理25h后，纖維維持原有 形貌，僅增重〇. 9wt%，強(qiáng)度保留率高達(dá)82%。
[0025] 實(shí)施例4 本實(shí)施例包括以下步驟： (1) 將Hi-Nicalon SiC纖維二維編織件于600°C氮?dú)鈿夥障卤?5min以去膠，緊接 著置于丙酮中超聲清洗l〇min，以去除表面污物，隨后室溫干燥； (2) 將經(jīng)步驟（1)處理過的SiC纖維放入ALD反應(yīng)室中，抽真空、置換氮?dú)馊危磻?yīng)室 升溫至250°C，反應(yīng)室壓力維持在3torr ; (3) Zr [N(CH3)2]4與Hf [N(CH3)2]4混合前驅(qū)體在30 seem流速的N2的攜帶下脈沖進(jìn) 入反應(yīng)室，吸附在SiC纖維上，脈沖時間為0.4s，然后用70 seem N2吹洗并帶走剩余的 Zr [N(CH3)2]4與Hf [N(CH3)2]4, N2吹洗時間為5s，同樣H2O在20 seem N2的攜帶下脈沖進(jìn)入 反應(yīng)室，并與己化學(xué)吸附在襯底上的Zr [N(CH3) 2]4和Hf [N(CH3) 2]4反應(yīng)，生成ZrO2和HfO2, 時間為0. ls，隨后過量的水及副產(chǎn)物由70 seem N2吹洗帶出反應(yīng)室，吹洗時間為10s，這樣 就完成了一個ALD沉積循環(huán)； (4) 重復(fù)步驟（3) 950次，得到涂層厚度為100 nm的ZrO2-HfO2涂層，降溫后取出具有 ZrO2- HfO2涂層的SiC纖維； (5) 將步驟（4)所得的SiC纖維放入高溫管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行熱處理，熱處理 溫度550°C，保溫30min，即成。
[0026] 本實(shí)施例制得的ZrO2-HfO2復(fù)合涂層SiC纖維，表面十分均勻平滑，涂層由Zr、Hf 及〇元素組成，無其它雜質(zhì)，涂層后纖維具有良好地高溫抗氧化性能，在120(TC處理25h后， 纖維維持原有形貌，僅增重〇. 4wt%，強(qiáng)度保留率高達(dá)90%。
[0027] 實(shí)施例5 本實(shí)施例包括以下步驟： (1) 將KD-II SiC纖維三維編織體于600°C氮?dú)鈿夥障卤?0min以去膠，緊接著置于 丙酮中超聲清洗15min，以去除表面污物，隨后室溫干燥； (2) 將經(jīng)步驟（1)處理過的SiC纖維放入ALD反應(yīng)室中，抽真空、置換氮?dú)馊危磻?yīng)室 升溫至200°C，反應(yīng)室壓力維持在0· 5torr ; (3) Al (CH3) 3與SiCl4混合前驅(qū)體在40sccm流速的N2的攜帶下脈沖進(jìn)入反應(yīng)室，吸附 在SiC纖維上，脈沖時間為0. 02s，然后用IOOsccm N2吹洗并帶走剩余的Al (CH3) 3與SiCl4, N2吹洗時間為8s，同樣H2O在30sccm N2的攜帶下脈沖進(jìn)入反應(yīng)室，并與己化學(xué)吸附在襯 底上的Al (CH3)3和SiCl4反應(yīng)，生成Al2O 3和SiO2，時間為0. 02s，隨后過量的水及副產(chǎn)物由 lOOsccm N2吹洗帶出反應(yīng)室，吹洗時間為8s，這樣就完成了一個ALD沉積循環(huán)； (4) 重復(fù)步驟（3) 800次，得到涂層厚度為120 nm的Al2O3-SiO2涂層，降溫后取出具有 Al2O3-SiO2涂層的SiC纖維； (5) 將步驟（4)所得的SiC纖維放入高溫管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行熱處理，熱處理 溫度600°C，保溫60min，即成。
[0028] 本實(shí)施例制得的Al2O3-SiO2涂層SiC纖維，表面十分均勻平滑，涂層由Al、Si、0元 素組成，無其它雜質(zhì)，涂層后纖維具有良好地高溫抗氧化性能，在120(TC處理25h后，纖維 維持原有形貌，僅增重〇. 6wt%，強(qiáng)度保留率高達(dá)87%。
[0029] 從以上實(shí)施例可見，采用原子層沉積技術(shù)可以在SiC纖維表面制備出均勻、致密、 雜質(zhì)少、厚度可精確控制的氧化物陶瓷涂層，涂層后纖維具有優(yōu)異的抗氧化性能，可以在高 溫氧化環(huán)境下長期使用。
【權(quán)利要求】
1. 一種碳化硅纖維表面氧化物陶瓷涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 將碳化硅纖維去膠、清洗； 將碳化硅纖維束或纖維編織體中于400°C -700°c氮?dú)鈿夥障卤?0min-60min以去 膠，接著置于丙酮中超聲清洗5min-30min，以去除表面污物，隨后室溫干燥； (2) 將經(jīng)步驟（1)處理過的碳化硅纖維束或纖維編織體放入ALD反應(yīng)室內(nèi)，然后反復(fù)抽 真空、置換氮?dú)馊危? (3) 根據(jù)沉積氧化物涂層的種類，選擇反應(yīng)前驅(qū)體，設(shè)置沉積工藝參數(shù)：沉積溫度 25°C -40CTC，沉積壓力 0· 01torr-760 torr ; (4) 在氮?dú)饣驓鍤鈹y帶下將前驅(qū)體蒸汽引入到ALD反應(yīng)室中； (5) 用氮?dú)饣驓鍤獯祾叻磻?yīng)室； (6) 在氮?dú)饣驓鍤鈹y帶下將氧源蒸汽引入到ALD反應(yīng)室中； (7) 用氮?dú)饣驓鍤獯祾叻磻?yīng)室； (8 )重復(fù)步驟（4 )-步驟（7 )，直至沉積到所需涂層厚度； (9)將步驟（8)所得的碳化硅纖維束或纖維編織體放入高溫管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下于 400°C _600°C熱處理 10min-60min，即成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅纖維表面氧化物陶瓷涂層的制 備方法，其特征在于：步驟（1)中，所述碳化硅纖維束或纖維編織體為 Nicalon、Hi-Nicalon、Hi-Nicalon S、Tyranno、Sylramic、Siboramic、KD_ 1、KD-丨1、KD- 1丨丨牌號的碳化硅纖維束或纖維編織體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳化硅纖維表面氧化物陶瓷涂層的制備方法，其特征在 于：步驟（3)中，所述氧化物涂層為氧化鋯、氧化鉿、氧化釔、氧化鋁、氧化鈦、氧化硅中的一 種或幾種的混合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳化硅纖維表面氧化物陶瓷涂層的制備方法，其特征 在于：步驟（3)中，前驅(qū)體為易揮發(fā)的金屬烷氨基鹽、金屬有機(jī)化合物、鹵化物、醇鹽、金屬 β-二酮絡(luò)合物中的一種或幾種的混合物。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳化硅纖維表面氧化物陶瓷涂層的制備方法，其特征在 于,步驟（6)中，氧源為水、雙氧水、氧氣、臭氧、醇或原子氧。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳化硅纖維表面氧化物陶瓷涂層的制備方法，其特征在 于，步驟（4)和步驟（6)中，攜帶氣體流速為5-100sccm，步驟（5)和步驟（7)中，吹掃氣體流 速為 l〇_200sccm。
【文檔編號】C23C16/44GK104213099SQ201410492825
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】王軍, 曹適意, 王浩, 簡科, 王小宙 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)