低溫低壓制備氮化硼涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[OO01 ]本發(fā)明涉及一種功能涂層材料的制備方法，特別是涉及一種界面相控制材料的制備方法，應(yīng)用于化學(xué)氣相沉積法制備界面涂層材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硼具有輕質(zhì)、耐高溫、抗氧化、抗熱震、耐腐蝕、優(yōu)良的摩擦磨損性能和優(yōu)異的介電性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，是新一代高性能航空剎車材料的理想候選材料，代表了耐高溫透波材料的發(fā)展方向，是目前陶瓷基復(fù)合材料中可選擇的理想的界面相控制材料，因此，在航空航天、冶金、核能、機(jī)械、電子等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]界面是陶瓷基體與纖維的“紐帶”，是復(fù)合材料的“心臟”，具有連接纖維與基體以及把基體的應(yīng)力傳遞到纖維上的作用，其結(jié)構(gòu)直接影響著復(fù)合材料的性能。氮化硼作為涂層界面材料使用時(shí)，通過纖維涂覆方法可以對(duì)纖維進(jìn)行氧化保護(hù)、反應(yīng)阻擋、力學(xué)傳載等。其中，最基本和關(guān)鍵的要求是能偏轉(zhuǎn)裂紋，提高材料的韌性。
[0004]BN界面的制備方法有很多種，主要包括液相法(也稱為浸漬-涂覆法)、化學(xué)氣相沉積法和碳熱還原法。其中較為常見的主要有CVD法和浸漬-涂覆法。CVD法對(duì)設(shè)備的要求高，影響界面性能的工藝參數(shù)較多，但所得的涂層的質(zhì)量往往較高，是制備高質(zhì)量界面材料的首選。文獻(xiàn)中指出，CVD/CVI(化學(xué)氣相滲透)制備氮化硼涂層界面的溫度應(yīng)在1400?1800°C，但大量實(shí)驗(yàn)證明，在該溫度范圍內(nèi)，采用CVD/CVI法制備的氮化硼界面涂層，由于制備溫度過高，體系反應(yīng)速率較大，一方面導(dǎo)致氮化硼界面涂層沉積速率過快而造成涂層厚度不易控制，另一方面，會(huì)導(dǎo)致氮化硼界面涂層滲透能力下降，不利于纖維編織件內(nèi)部生成厚度均勻的界面涂層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種低溫低壓制備氮化硼涂層的方法，在低溫條件下采用化學(xué)氣相沉積法，以獲得厚度均勻、沉積速率可控且結(jié)晶度較高的氮化硼涂層。
[0006]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種低溫低壓制備氮化硼涂層的方法，其特征在于，包括以下步驟:a.對(duì)沉積基底進(jìn)行清洗，去除沉積基底表面的塵埃及其他污染物，干燥后放入等溫氮化硼化學(xué)氣相沉積爐的爐膛內(nèi)；優(yōu)選所述沉積基底為碳化硅、硅片、石墨、碳纖維、陶瓷纖維及其編織件中的任意一種；
b.排除等溫氮化硼化學(xué)氣相沉積爐中的空氣，按設(shè)定程序升溫，待爐溫達(dá)到設(shè)定沉積溫度300?800°C后，保溫，再按照設(shè)定氣體流量比向等溫氮化硼化學(xué)氣相沉積爐中通入稀釋氣體和反應(yīng)氣體，所述稀釋氣體同時(shí)作為所述反應(yīng)氣體的載氣，所述反應(yīng)氣體分別采用BCl3和NH3作為硼源和氮源，各氣體流量比分別控制為NH3/BC13=1?30，稀釋氣體/BCl3=O?100，控制等溫氮化硼化學(xué)氣相沉積爐內(nèi)的反應(yīng)氣體壓力為I?130mbar，并控制沉積反應(yīng)時(shí)間為0.5?20h;所述稀釋氣體優(yōu)選采用高純氮?dú)夂透呒儦鍤庵腥我庖环N氣體或兩種氣體的混合氣體；
c.在所述步驟b中進(jìn)行的沉積反應(yīng)結(jié)束后，停止向等溫氮化硼化學(xué)氣相沉積爐中通入反應(yīng)氣體，繼續(xù)以稀釋氣體作為保護(hù)氣體，以5?20°C/min的速率快速升溫至1000?1800 °C進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，控制熱處理時(shí)間為0.5?1h;所述稀釋氣體優(yōu)選采用高純氮?dú)夂透呒儦鍤庵腥我庖环N氣體或兩種氣體的混合氣體；
d.在所述步驟c中進(jìn)行的高溫?zé)崽幚硗瓿珊螅P(guān)閉加熱系統(tǒng)，使沉積基底在保護(hù)性氣體的保護(hù)下隨爐自然降溫冷卻至室溫，即得沉積于沉積基底表面的氮化硼涂層。所述保護(hù)性氣體優(yōu)選采用高純氮?dú)夂透呒儦鍤庵腥我庖环N氣體或兩種氣體的混合氣體。
[0007]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，在所述步驟b中，在向等溫氮化硼化學(xué)氣相沉積爐中通入反應(yīng)氣體的同時(shí)，還通入催化氣體，氣體流量比控制為催化氣體/BCl3=O?100，在所述步驟b中進(jìn)行的沉積反應(yīng)結(jié)束后，停止向等溫氮化硼化學(xué)氣相沉積爐中通入催化氣體。所述催化氣體優(yōu)選采用氫氣。
[0008]作為上述方案中進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，在所述步驟b中，通過控制等溫氮化硼化學(xué)氣相沉積爐內(nèi)的反應(yīng)氣體壓力、沉積反應(yīng)時(shí)間和各氣體流量比，來控制沉積于沉積基底表面的氮化硼涂層的厚度及沉積速率;在所述步驟c中，通過控制高溫?zé)崽幚頊囟群蜔崽幚頃r(shí)間對(duì)氮化硼的結(jié)晶度進(jìn)行調(diào)節(jié);最終在所述步驟c中得到沉積于沉積基底表面的均勻致密的氮化硼涂層。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明方法解決化學(xué)氣相沉積法制備氮化硼涂層溫度過高的問題，適用于復(fù)合材料氮化硼界面的制備和樣品表面涂層的制備，本發(fā)明方法將氮化硼化學(xué)氣相沉積的沉積溫度由1300?1800 °C，降到了 300?800 °C，能制備出了滲透能力更強(qiáng)、厚度均勻可控、結(jié)晶度較高的氮化硼涂層，本發(fā)明采用低溫低壓化學(xué)氣相沉積法制備氮化硼涂層，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，可以通過控制沉積時(shí)間、沉積溫度、氣體流量比、熱處理溫度和熱處理時(shí)間，能夠制備出不同氮化硼結(jié)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)無定形態(tài)、亂層結(jié)構(gòu)的氮化硼和結(jié)晶性良好的六方氮化硼的選擇制備，實(shí)現(xiàn)厚度可控的氮化硼界面涂層制備；
2.本發(fā)明方法采用低溫、低壓制備氮化硼涂層，在低溫低壓條件下，更容易控制氮化硼的沉積速率，使化學(xué)沉積過程更安全、易操作；
3.本發(fā)明方法通過高溫?zé)崽幚砉に嚕梢钥刂扑练e的氮化硼的晶型結(jié)構(gòu)，滿足了碳纖維及碳化硅纖維作為增強(qiáng)體制備復(fù)合材料時(shí)對(duì)界面材料的要求，有效保護(hù)了纖維，使得纖維能有效地傳遞載荷并產(chǎn)生脫粘、滑移和拔出，大幅提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能，在對(duì)纖維預(yù)制體進(jìn)行氮化硼涂層的沉積過程中，可以使氮化硼更好地在預(yù)制體內(nèi)部進(jìn)行沉積；
4.本發(fā)明方法能在硅片及石墨基底等多種材料表面沉積氮化硼涂層，可得到不同厚度的的氮化硼涂層，沉積溫度大幅降低，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，特別適合纖維及其編織件表面氮化硼界面涂層的工業(yè)化制備及應(yīng)用。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一所制備的氮化硼涂層的紅外分析圖譜。
[0011]圖2是本發(fā)明實(shí)施例三所制備的氮化硼涂層的X射線衍射圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下:
實(shí)施例一:
在本實(shí)施例中，參見圖1，一種低溫低壓制備氮化硼涂層的方法，包括以下步驟:
(1)對(duì)石墨板進(jìn)行清洗，去除表面塵埃及其他污染物，干燥后放入沉積爐膛內(nèi)；
(2)對(duì)沉積爐膛進(jìn)行抽真空，充入高純氮?dú)猓磸?fù)循環(huán)五次，排除沉積爐膛內(nèi)的空氣；
(3)充入高純氮?dú)?，升溫?00°C;
(4)待溫度穩(wěn)定后，導(dǎo)入載氣氮?dú)?，載氣流量100ml/min，導(dǎo)入反應(yīng)氣體三氯化硼和氨氣，其中三氯化硼流量20ml/min，氨氣流量60ml/min，系統(tǒng)維持真空度1mbar，沉積時(shí)間5h ；
(5)沉積結(jié)束后，停止通入三氯化硼和氨氣，減小氮?dú)饬髁繛?0ml/min，快速升溫至1300°(:，保溫211;
(6)熱處理結(jié)束之后，關(guān)閉加熱系統(tǒng)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下隨爐冷卻至室溫，即得沉積于石墨表面的六方氮化硼涂層。
[0013]通過紅外分析，對(duì)本實(shí)施例中制備的涂層進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，所得涂層為六方氮化硼涂層。其傅里葉紅外圖譜如圖1所示。
[0014]由圖1所示涂層傅里葉紅外光譜圖可見，位于1382cm—1和779cm—1的吸收峰分別歸屬于六方氮化硼中B-N鍵的伸縮振動(dòng)和B-N-B的