多层碳化硅/二氧化硅/金刚石复合自支撑膜及制备方法技术

本发明专利技术为一种多层碳化硅/二氧化硅/金刚石复合自支撑膜，属于化学气相沉积技术领域。该自支撑膜由SiC/SiO

【技术实现步骤摘要】
多层碳化硅/二氧化硅/金刚石复合自支撑膜及制备方法
本专利技术涉及化学气相沉积
，具体是一种多层碳化硅/二氧化硅/金刚石复合自支撑膜及制备方法。
技术介绍
化学气相沉积(CVD)金刚石具有红外透过率高、吸收系数低、抗热冲击性好、热导率高等优异性能，是一种理想的用于高速飞行器的长波红外(8-12μm)窗口和头罩材料。但是金刚石的热稳定性差，在飞行器高速飞行过程中，其窗口或头罩由于空气动力加热，表面温度会急剧上升，当温度达到650℃左右时，金刚石涂层在大气中开始氧化转变成石墨。这一问题都严重限制了其在高温氧化环境中作为红外窗口的应用。目前，研究人员多通过离子注入或镀双层及多层耐高温且附着力强的涂层来提高其抗氧化能力。但是一方面，部分抗氧化涂层会降低金刚石的透过性能，另一方面，在散热性、耐磨损、抗沙蚀、雨蚀、抗化学腐蚀等能力方面，任何涂层也无法与金刚石相比，一旦抗氧化涂层被蚀失效，金刚石就会因为暴露在氧气中被氧化而失效。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种多层碳化硅/二氧化硅/金刚石复合自支撑膜。该自支撑膜具有较高的红外透过性，优良的高温抗氧化能力，能够达到红外窗口的使用标准。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种多层碳化硅/二氧化硅/金刚石复合的自支撑膜，其是由SiC/SiO2梯度复合层与金刚石膜依次交替叠加而成，且顶层和底层均为SiC/SiO2梯度复合层。作为优选的技术方案，SiC/SiO2梯度复合层和金刚石膜是采用微波等离子体化学气相沉积法制备而成的。作为优选的技术方案，SiC/SiO2梯度复合层得厚度为1-50μm，金刚石膜的厚度为5-200μm。本专利技术所述的多层SiC/SiO2/金刚石复合的自支撑膜由SiC/SiO2梯度复合层和金刚石膜顺次反复交替形成，能够将金刚石的散热、抗蚀能力，SiC/SiO2的抗氧化能力以及SiO2良好的透过性结合起来，是一种新型的红外光学窗口材料。进一步的，本专利技术还提供了上述多层SiC/SiO2/金刚石复合自支撑膜的制备方法，具体包括如下步骤：1）采用微波等离子体化学气相沉积法，以含硅碳气体或含硅气体及含碳气体的混合气体作为先驱体、氢气作为反应气体，在石墨基体表面制备SiC层；2）通入氧气，逐渐增加氧气流量，同时缓慢降低含硅碳气体或含硅气体及含碳气体的混合气体的流量至0值，形成氧等离子体或氢氧等离子体对SiC层进行微波氧等离子体刻蚀，将部分SiC转化为SiO2，形成SiC/SiO2梯度复合层；3）通入甲烷，逐渐增加甲烷的流量同时逐渐降低氧气的流量，在SiC/SiO2梯度复合层上沉积金刚石膜；4）重复制备SiC层、刻蚀形成SiC/SiO2梯度复合层、沉积金刚石膜的操作过程，如此反复交替，最终在石墨基体上形成厚度为0.1-3mm的多层SiC/SiO2/金刚石复合层；5）将试件倒置，使石墨基体裸露在微波氧等离子体中，将其氧化去除，最终得到完整的多层SiC/SiO2/金刚石复合的自支撑膜。作为优选的技术方案，SiC层的具体制备方法如下：石墨用去离子水和无水乙醇分别进行超声清洗，热风干燥；将清洗后的石墨置于微波等离子体化学气相沉积实验装置中，待炉内抽真空至0.1Pa以下，通入含硅碳气体或含硅气体及含碳气体的混合气体作为先驱体、氢气作为反应气体，在石墨基体表面进行SiC层的制备；其中工艺参数为：石墨基体温度700-1200℃，微波功率800W-10kW，气体压强2-20kPa，采用含硅碳气体作为先驱体、氢气作为反应气体时，氢气流量100-1000sccm，含硅碳气体占氢气的体积百分比为0.1-10%；采用含硅气体及含碳气体的混合气体作为先驱体、氢气作为反应气体时，氢气流量100-1000sccm，含碳气体占氢气的体积百分比为0.1-10%，含硅气体占氢气的体积百分比为0.1%-10%。SiC/SiO2梯度复合层的具体制备方法如下：待SiC层沉积完成后，通入氧气，控制含硅碳气体或含硅气体及含碳气体的混合气体流量逐渐降低至0sccm，氧气流量逐渐增加至在真空腔室中形成氧等离子体或氢氧等离子体，进行微波氧等离子体刻蚀；刻蚀工艺参数为：功率500-8000W，气体压强2-10kPa，氧气流量5-1000sccm，氢气流量0-500sccm，基体温度300-900℃，刻蚀时间5min-5h。金刚石膜的具体制备方法如下：SiC/SiO2梯度复合层制备完成后，向实验装置中通入甲烷，缓慢增加甲烷流量的同时逐渐停止通入氧气，控制H2流量为100-1000sccm，甲烷占H2的体积百分比为0.5%-10%，气体压强为5-20kPa，基体温度850-1100℃。氧化去除石墨基体的工艺参数为：功率500-8000W，气体压强2-10kPa，氧气流量5-1000sccm，氢气流量0-500sccm，基体温度300-900℃，刻蚀时间5min-5h。作为优选的技术方案，含硅碳气体为四甲基硅烷（Si(CH3)4,TMS）、三氯甲基硅烷（CH3SiCl3）或正硅酸乙酯（Si(OC2H5)4）。作为优选的技术方案，含硅气体为四氯化硅（SiCl4）、三氯氢硅（HSiCl3）、二氯甲硅烷（H2SiCl2）、氯硅烷（H3SiCl）或硅烷（SiH4）。作为优选的技术方案，含碳气体为含碳的烃类。本专利技术多层SiC/SiO2/金刚石复合的自支撑膜，是利用金刚石具有良好的散热性能和抗蚀性能，SiC和SiO2具有良好的抗氧化性，其中SiC的抗氧化性是通过形成致密的SiO2保护膜来实现的，通过顺次制备SiC/SiO2梯度复合层和金刚石膜形成SiC/SiO2/金刚石多层复合自支撑膜将二者的优异性能结合起来，其中表层设计为SiC/SiO2梯度复合层，在作为光学窗口或头罩使用时，最外层SiC/SiO2复合层中的SiC就会氧化转变为SiO2，形成致密的SiO2膜，为多层SiC/SiO2/金刚石复合的自支撑膜提供氧化保护。此外，多层膜的结构还能够提供多层防护，一旦最外面的氧化层和金刚石膜被消耗掉，次一层的SiC/SiO2梯度复合层就会转变成新的抗氧化外层，再次为多层复合自支撑膜整体提供氧化防护。本专利技术的有益效果如下：1）本专利技术采用微波等离子体化学气相沉积技术，多次在石墨表面进行SiC/SiO2梯度复合层制备、金刚石膜生长的交替，最底层和表层均为SiC/SiO2梯度复合层，使金刚石膜在使用过程中氧气接触面完全包裹在抗氧化层中，提高金刚石的抗氧化性。通过多层SiC、SiO2、金刚石膜循环交替复合，能够综合利用金刚石的高热导率、高硬度和高抗蚀性和SiC、SiO2良好的抗氧化性以及SiO2优异的透过率，使得获得的多层SiC/SiO2/金刚石复合的自支撑膜兼具良好的抗氧化性、抗蚀性、导热优良、透过性好等性能，使其完全达到红外窗口的使用标准。2）本专利技术所制备的多层SiC/SiO2/金刚石复合的自支撑膜中，金刚石、SiC和SiO2三种材料的热膨胀系数（CTE）存在差异，其中CTESiC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层碳化硅/二氧化硅/金刚石复合自支撑膜，其特征在于：由SiC/SiO

【技术特征摘要】
1.一种多层碳化硅/二氧化硅/金刚石复合自支撑膜，其特征在于：由SiC/SiO2梯度复合层与金刚石膜依次交替叠加而成，且顶层和底层均为SiC/SiO2梯度复合层。


2.根据权利要求1所述的多层碳化硅/二氧化硅/金刚石复合自支撑膜，其特征在于：SiC/SiO2梯度复合层和金刚石膜是采用微波等离子体化学气相沉积法制备而成的。


3.根据权利要求2所述的多层碳化硅/二氧化硅/金刚石复合自支撑膜，其特征在于：SiC/SiO2梯度复合层的厚度为1-50μm，金刚石膜的厚度为5-200μm。


4.根据权利要求1-3任一所述的多层碳化硅/二氧化硅/金刚石复合自支撑膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）采用微波等离子体化学气相沉积法，以含硅碳气体或含硅气体及含碳气体的混合气体作为先驱体、氢气作为反应气体，在石墨基体表面制备SiC层；
2）通入氧气，并逐渐增加氧气流量，同时缓慢降低含硅碳气体或含硅气体及含碳气体的混合气体的流量至0值，形成氧等离子体或氢氧等离子体对SiC层进行微波氧等离子体刻蚀，将部分SiC转化为SiO2，形成SiC/SiO2梯度复合层；
3）通入甲烷，并逐渐增加甲烷的流量同时逐渐降低氧气的流量，在SiC/SiO2梯度复合层上沉积金刚石膜；
4）重复制备SiC层、刻蚀形成SiC/SiO2梯度复合层、沉积金刚石膜的操作过程，如此反复交替，最终在石墨基体上形成厚度为0.1-3mm的多层SiC/SiO2/金刚石复合层；
5）将试件倒置，使石墨基体裸露在微波氧等离子体中，将其氧化去除，最终得到完整的多层SiC/SiO2/金刚石复合的自支撑膜。


5.根据权利要求4所述的多层碳化硅/二氧化硅/金刚石复合自支撑膜的制备方法，其特征在于：
SiC层的具体制备方法如下：石墨用去离子水和无水乙醇分别进行超声清洗，热风干燥；将清洗后的石墨置于微波等离子体化学气相沉积实验装置中，待炉内抽真空至0.1Pa以下，通入含硅碳气体或含硅气体及含碳气体的混合气体作为先驱体、氢气...

【专利技术属性】
技术研发人员：马永，于盛旺，郑可，马丹丹，高洁，王永胜，申艳艳，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14