均勻化氮化硼涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備均勻化氮化硼涂層的方法，尤其涉及一種纖維、纖維編織件及復(fù)合材料中氮化硼界面的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硼界面可以通過(guò)在復(fù)合材料制備過(guò)程中原位生成，也可以在纖維表面首先制備出界面，再將帶有氮化硼界面的纖維作為增強(qiáng)纖維應(yīng)用到復(fù)合材料中，采用何種方法制取，這取決于生產(chǎn)工藝條件的控制及生產(chǎn)設(shè)備的局限性。目前，制備BN界面的方法有很多種，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。在眾多制備方法中，尤以CVD法所制得的界面性能更為優(yōu)異且穩(wěn)定。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。
[0003]采用CVD法制備氮化硼涂層中，主要采用BX3+NH3雙組元系統(tǒng)，其中應(yīng)用最多的為BC13+NH3系統(tǒng)，但是，與單組元系統(tǒng)相比，由于沉積系統(tǒng)處于高溫低壓狀態(tài)下，源氣體反應(yīng)劇烈，氣體混合不均，導(dǎo)致不同位置氣體濃度不同，沉積速率不同，繼而造成沉積基底表面的涂層厚度、涂層晶粒大小及涂層結(jié)晶度不同，不利于基底表面生成厚度均勻、成分單一、結(jié)晶度較高的氮化硼涂層。相關(guān)文獻(xiàn)及專利中指出，化學(xué)氣相法制備氮化硼涂層過(guò)程中，均采用直接在恒溫區(qū)沉積的方法，雙組元?dú)怏w在沉積區(qū)相遇并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，繼而在基底表面沉積氮化硼涂層，對(duì)所得涂層進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)沉積不均現(xiàn)象。此專利中指出，通過(guò)先混合再沉積的方法，可以有效地解決這一問(wèn)題，獲得相對(duì)穩(wěn)定、均勻的氮化硼涂層。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明的目的是提供一種雙組元?dú)怏w化學(xué)氣相沉積法制備氮化硼涂層的方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提供一種制備均勻涂層的方法，尤其是一種采用BX3+NH3體系化學(xué)氣相沉積法制備氮化硼涂層的方法。
[0005]本方法對(duì)常用的化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)先混合再沉積的方法，解決氮化硼涂層不均勻的問(wèn)題，獲得相對(duì)均勻、成分單一、結(jié)晶性能良好的氮化硼涂層。本發(fā)明所用的技術(shù)方案主要包括:氣體混合、化學(xué)氣相沉積和高溫?zé)崽幚怼?br>[0006]具體采用如下技術(shù)方案:
一種均勻化氮化硼涂層的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟為:
a.將待涂樣品放入沉積模具中沉積區(qū)內(nèi)；通入反應(yīng)氣體三氯化硼、氨氣；三氯化硼和氨氣分別由兩個(gè)進(jìn)氣口通入，在進(jìn)入模具之前不發(fā)生接觸；氣體在等溫混合區(qū)混合均勻；混合均勻后，氣體進(jìn)入沉積區(qū)，在沉積溫度為300~1800°C，系統(tǒng)壓力為l~300mbar下，發(fā)生沉積，沉積時(shí)間為0.5h~20h，最后在待涂樣品表面得到均勻的氮化硼涂層；所述的三氯化硼和氨氣的氣體流量比為[NH3]/[BC13]=1:1?30 ;
b.沉積反應(yīng)結(jié)束后，對(duì)所得氮化硼涂層樣品進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，熱處理溫度?200-2000°C，時(shí)間為0.5h~5h，得到六方氮化硼涂層。
[0007]上述的反應(yīng)氣體中還有載氣和稀釋氣體；所述的載氣為氮?dú)饣驓鍤庵械闹辽僖环N，該載氣與三氯化硼同一進(jìn)氣口進(jìn)入混合區(qū)，氣體流量比為[載氣]:[BC13] =1:1-120 ;所述的稀釋氣體為氫氣，氣體流量比為[載氣]:[BC13]=1:1~100。
[0008]所述的化學(xué)氣相沉積法制備均勻氮化硼涂層的方法，其中氣體的通入方式為BC13和NH3分為兩路進(jìn)入反應(yīng)模具，BC13和載氣一起通入，Η 2可通過(guò)任一進(jìn)氣口通入。
[0009]該化學(xué)氣相沉積制備均勻氮化硼涂層的方法，可用于碳纖維、陶瓷纖維及其編織件表面氮化硼涂層的制備，也可用于復(fù)合材料中氮化硼界面的制備，同時(shí)也可用于硅片、石墨及Α1203表面氮化硼涂層的制備和其它雙組元?dú)怏w化學(xué)氣相沉積。
[0010]使用本發(fā)明沉積氮化硼涂層，結(jié)果顯示，通過(guò)先混合再沉積的方法，可以制備出厚度均勻、結(jié)構(gòu)單一、結(jié)晶性能良好的氮化硼涂層，與以往的制備技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):一方面，更容易控制氮化硼涂層的厚度，使得涂層成分及結(jié)構(gòu)單一穩(wěn)定；另一方面，在工業(yè)化過(guò)程中，對(duì)大件樣品涂覆氮化硼涂層時(shí)，可以使不同位置處表面涂層更均勻；最后，對(duì)研究沉積動(dòng)力學(xué)提供了一種方法。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是反應(yīng)器示意圖，主要分為混合區(qū)和沉積區(qū)。
[0012]圖2和圖3是實(shí)施例1中沉積氮化硼涂層后碳化硅纖維的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施例1
第一步:裝爐，將碳化硅纖維放置于沉積區(qū)，混合腔和反應(yīng)腔同時(shí)處于爐管恒溫區(qū)，抽真空檢查系統(tǒng)氣密性。
[0014]第二步:排空升溫，通入高純氮?dú)?，抽真空，如此循環(huán)五次，排除系統(tǒng)中殘余空氣，按照設(shè)定程序升溫。
[0015]第三步:進(jìn)氣，升溫至設(shè)定沉積溫度800 °C，維持系統(tǒng)壓力20mbar，從進(jìn)氣口 1通入氨氣60ml/min，進(jìn)氣口 2通入高純氮?dú)鈒OOmlmin和三氯化硼20ml/min。
[0016]第四步:混合沉積，氣體進(jìn)入恒溫區(qū)，先經(jīng)混合腔混合，再進(jìn)入沉積區(qū)在碳化硅纖維表面沉積氮化硼2h。
[0017]第五步:熱處理，將沉積后的碳化硅纖維在氬氣氛圍中1300°C熱處理lh。
[0018]對(duì)實(shí)施例1中所得沉積后的碳化硅纖維進(jìn)行掃描隧道顯微鏡(SEM)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)纖維表面沉積了一層均勻光滑的氮化硼涂層，且置于沉積區(qū)內(nèi)不同位置的碳化硅纖維沉積氮化硼涂層厚度基本一致，為lum左右。
[0019]實(shí)施例2
第一步:裝爐，將清洗后的石墨板放置于沉積區(qū)，混合腔和反應(yīng)腔同時(shí)處于爐管恒溫區(qū)，抽真空檢查系統(tǒng)氣密性。
[0020]第二步:排空升溫，通入高純氮?dú)?，抽真空，如此循環(huán)五次，排除系統(tǒng)中殘余空氣，按照設(shè)定程序升溫。
[0021]第三步:進(jìn)氣，升溫至設(shè)定沉積溫度1300°C，維持系統(tǒng)壓力20mbar，從進(jìn)氣口 1通入氨氣60ml/min，進(jìn)氣口 2通入高純氮?dú)鈒OOmlmin和三氯化硼20ml/min。
[0022]第四步:混合沉積，氣體進(jìn)入恒溫區(qū)，先經(jīng)混合腔混合，再進(jìn)入沉積區(qū)在石墨板表面沉積氮化硼5h。
[0023]第五步:熱處理，將沉積后的石墨板在氬氣氛圍中1600°C熱處理lh。
[0024]實(shí)施例3
第一步:裝爐，將針刺碳?xì)址胖糜诔练e區(qū)，混合腔和反應(yīng)腔同時(shí)處于爐管恒溫區(qū)，抽真空檢查系統(tǒng)氣密性。
[0025]第二步:排空升溫，通入高純氮?dú)?，抽真空，如此循環(huán)五次，排除系統(tǒng)中殘余空氣，按照設(shè)定程序升溫。
[0026]第三步:進(jìn)氣，升溫至設(shè)定沉積溫度750 °C，維持系統(tǒng)壓力20mbar，從進(jìn)氣口 1通入氨氣60ml/min和氫氣100ml/min，進(jìn)氣口 2通入高純氮?dú)鈒OOmlmin和三氟化硼20ml/min。
[0027]第四步:混合沉積，氣體進(jìn)入恒溫區(qū)，先經(jīng)混合腔混合，再進(jìn)入沉積區(qū)在針刺毯氈表面沉積氮化硼0.5h。
[0028]第五步:熱處理，將沉積后的針刺碳?xì)衷跉鍤夥諊?400°C熱處理2h。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種均勻化氮化硼涂層的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟為: a.將待涂樣品放入沉積模具中沉積區(qū)內(nèi)；通入反應(yīng)氣體三氯化硼、氨氣；三氯化硼和氨氣分別由兩個(gè)進(jìn)氣口通入，在進(jìn)入模具之前不發(fā)生接觸；氣體在等溫混合區(qū)混合均勻；混合均勻后，氣體進(jìn)入沉積區(qū)，在沉積溫度為300~1800°C，系統(tǒng)壓力為l~300mbar下，發(fā)生沉積，沉積時(shí)間為0.5h~20h，最后在待涂樣品表面得到均勻的氮化硼涂層；所述的三氯化硼和氨氣的氣體流量比為[NH3]/[BC13]=1:1?30 ; b.沉積反應(yīng)結(jié)束后，對(duì)所得氮化硼涂層樣品進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚瑹崽幚頊囟葹?200-2000°C，時(shí)間為0.5h~5h，得到六方氮化硼涂層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻化氮化硼涂層的制備方法，其特征在于所述的反應(yīng)氣體中還有載氣和稀釋氣體；所述的載氣為氮?dú)饣驓鍤庵械闹辽僖环N，該載氣與三氯化硼同一進(jìn)氣口進(jìn)入混合區(qū)，氣體流量比為[載氣]:[BC13] =1:1-120 ;所述的稀釋氣體為氫氣，氣體流量比為[載氣]:[BC13]=1:1~100。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種均勻化氮化硼涂層的制備方法。給方法以三氯化硼（BCl3）和氨氣（NH3）為反應(yīng)氣體，通入反應(yīng)器中，先在混合區(qū)混合均勻，再在沉積反應(yīng)區(qū)發(fā)生表面沉積，最后將所得樣品進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，?jīng)掃描隧道顯微鏡（SEM）、傅立葉紅外（FT-IR）和X射線衍射（XRD）檢測(cè)，制備出厚度均勻、成分單一、結(jié)晶度較高的氮化硼涂層。此方法可用于復(fù)合材料中氮化硼界面的制備其它樣品表面氮化硼涂層的制備，還可用于研究氮化硼氣相沉積過(guò)程及機(jī)理的研究。該方法主要解決的是雙組元化學(xué)氣相沉積氮化硼過(guò)程中氣體混合不均的問(wèn)題，以提高氮化硼涂層的均勻度，更好地控制涂層厚度。
【IPC分類】C23C16/34
【公開(kāi)號(hào)】CN105296960
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510711019
【發(fā)明人】李愛(ài)軍, 李琳琳, 彭雨晴, 白瑞成, 吳彪, 賈林濤, 湯哲鵬
【申請(qǐng)人】上海大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年10月28日