一种刚玉—莫来石复相陶瓷涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种刚玉－莫来石复相陶瓷涂层制备方法。采用一定的先驱体气相系统在４５０℃～６５０℃的温度下通过减压化学气相沉积法制备出γ－Ａｌ＃－［２］Ｏ＃－［３］结合无定型ＳｉＯ＃－［２］复核氧化物涂层，然后在１２５０℃左右热处理即可获得。所用先驱体均为高纯气体，沉积炉内压力为７６乇以下，设备为通用的化学气相沉积炉。可以通过调整进入沉积炉内的氧化铝与氧化硅的先驱体流量比例获得不同组份的（０～１００％）刚玉－（０～１００％）莫来石复相陶瓷涂层。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术特征在于在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℃左右热处理即转化为刚玉(α-Al2O3)-莫来石复相涂层。所用设备为一般化学气相沉积炉，气相系统为AlCl3-SiCl4-H2-CO2。AlCl3与SiCl4分放在两个容器中，AlCl3保温130℃，SiCl4室温使用，H2作为载气，分别携带AlCl3与SiCl4蒸汽在进入沉积炉时与CO2气流混合，输送AlCl3蒸汽的管道保持250℃恒温以避免AlCl3蒸汽在输气管道中冷凝。将需制备涂层的试样放置在炉中恒温区，加热至450～600℃，炉内压力低于76乇。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/minSiCl4载气流量(H2)随室温变化按表1调整AlCl3流量/SiCl4流量2/1CO2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)AlCl3/SiCl4＝2/1*AlCl3/SiCl4＝3/1 AlCl3/SiCl4＝4/1 AlCl3/SiCl4＝5/1/℃饱和蒸汽压20 26.0848 7.417424 4.944949 3.708712 2.9669721 27.2724 7.118639 4.745759 3.55932 2.84745622 28.4992 6.835375 4.556917 3.417688 2.7341523 29.7657 6.566722 4.377815 3.283361 2.62668924 31.0727 6.311764.20784 3.15588 2.52470425 32.4208 6.069676 4.046451 3.034838 2.42787126 33.8107 5.839693 3.893129 2.919847 2.33587727 35.2429 5.621117 3.747411 2.810558 2.24844728 36.7182 5.413253.608834 2.706625 2.165329 38.2372 5.215475 3.476983 2.607738 2.0861930 39.8005 5.027211 3.351474 2.513605 2.01088431 41.4088 4.847903 3.231936 2.423952 1.93916132 43.0628 4.677035 3.118023 2.338517 1.87081433 44.7631 4.514132 3.009422 2.257066 1.80565334 46.5103 4.358753 2.905835 2.179376 1.74350135 48.3051 4.210472 2.806981 2.105236 1.68418936 50.1482 4.068892 2.712595 2.034446 1.62755737 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，结果见附图说明图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％。权利要求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技术，本专利技术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℃左右处理2小时。2.根据权利要求书1所述的方法，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.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于调整H2流量/CO2流量之比，可以获得不同微结构的复合氧化物涂层，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，为2/1时，微结构为等轴状。4.根据权利要求书1所述的方法，其特征在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.根据权利要求书1所述的方法，其特征在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℃左右热处理转化为刚玉-莫来本文档来自技高网...

【技术保护点】
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技术，本专利技术特征在于化学气相沉积过程温度为４５０～６５０℃，气相系统为ＡｌＣｌ↓［３］－ＳｉＣｌ↓［４］－Ｈ↓［２］－ＣＯ↓［２］，后处理条件为１２５０℃左右处理２小时。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈照峰，张立同，成来飞，徐永东，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]