一种高性能的碳碳坩埚表面涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种高性能的碳碳坩埚表面涂层及其制备方法，涉及碳基复合材料技术领域。本发明专利技术公开的高性能的碳碳坩埚表面涂层，主要通过先在碳碳坩埚的基底上先后沉积一层SiC过渡层和一层LaB6/Y3Al5O

【技术实现步骤摘要】
一种高性能的碳碳坩埚表面涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于碳基复合材料
，尤其涉及一种高性能的碳碳坩埚表面涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着各国政府和人民对资源、环境保护意识和力度的增强，太阳能这一绿色环保产业在我国发展突飞猛进，单晶硅炉的数量由2000年的800台左右迅速增加至现在的8000台左右，由此导致单晶硅炉必不可少的坩埚的需求急剧增长，从而也带动了碳/碳复合材料坩埚在单晶硅炉使用领域的快速发展。碳/碳复合材料坩埚，是由高强度纤维和炭素基质构成的复合材料加工而成的高技术产品，较之石墨制品节能、大幅度省材，且性能优异，具有长寿命、高比强度、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小、耐急冷急热不变形不开裂等优良性能,是替代单晶炉石墨坩埚的理想的升级产品。
[0003]然而，由于碳/碳复合材料坩埚中的碳纤维是不被硅化的，则在坩埚表面可以看到一些不连续的小蚀坑。随着坩埚使用的进行，表面露出的碳纤维被磨平，这样使更里层的热解炭又会被硅化，如此反复进行，碳/碳复合材料逐渐变薄，其变薄的速度主要取决于热解炭的结构和拆炉清理时产生的摩擦。针对上述问题，目前通常使采用在碳/碳复合材料表面进行涂层处理，较为成熟的涂层方案是在碳/碳复合材料表层涂敷一层很薄的SiC。SiC材料的硬度高、热导率高、抗热震性好、化学稳定性高，同时它能与碳基体具有较好的热膨胀相容性，是一种优异的高温涂层，可有效提高碳碳复合材料的高温强度、抗高温氧化能力和抗高温冲击能力，延长了碳碳坩埚的使用寿命和耐损程度。
[0004]为了使碳/碳复合材料表面涂层能在更高温和更苛刻条件下使用，各国研发人员研究了复合涂层对碳/碳复合材料进行处理，通常采用SiC
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Al2O3‑
莫来石、SiC/Ar
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Al
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Si涂层、Si
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Mo涂层、SiC
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WSi2/MoSi2等涂层体系。然而，目前的复合涂层在高温氧化环境下，生成的SiO2保护膜能有效的阻挡氧气的渗入，但是随着氧化温度的升高和氧化时间的延长，目前研究的外涂层高温抗氧化能力均不太理想(现有的复合涂层最佳可达到的抗氧化温度为1650℃)，而内涂层生成的SiO2黏度降低，挥发严重，保护膜表面生成空洞或者气孔等缺陷，从而使涂层丧失氧化保护能力。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种高性能的碳碳坩埚表面涂层，该涂层具有优异的高温强度、高温韧性和高耐磨性，并且抗热震性好、化学稳定性好，同时与碳碳基体具有较高的热膨胀相容性，显著提高了碳碳坩埚的使用寿命和耐损程度，且使碳碳坩埚能在1750℃下长期抗氧化使用。
[0006]为了实现本专利技术的目的，本专利技术提供了一种高性能的碳碳坩埚表面涂层，所述涂层主要通过先在碳碳坩埚的基底上先后沉积一层SiC过渡层和一层LaB6/Y3Al5O
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外涂层，所述SiC过渡层采用包埋法沉积，所述LaB6/Y3Al5O
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外涂层采用料浆法涂覆而成。
[0007]本专利技术以SiC为内涂层，其与碳碳坩埚的热膨胀系数相差小，且具有优异的抗高温氧化性能和耐腐蚀性，在高温氧化环境下生成的SiO2，能阻止氧气的渗入，采用LaB6/Y3Al5O
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复合层作为外涂层，即在SiC过渡层外涂覆LaB6和Y3Al5O
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的复合层，可提高表面涂层的强度、耐高温性能，也能降低氧渗透力，从而可显著提高碳碳坩埚的高温使用温度，使其在1750℃下能长期抗氧化，提高了碳碳坩埚的使用寿命，同时，使本专利技术具有更佳优异的力学强度和耐腐蚀性。
[0008]进一步的，所述SiC过渡层的厚度为120～200μm，所述LaB6/Y3Al5O
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外涂层的厚度为150～180μm。
[0009]本专利技术SiC过渡层厚度若低于120μm，则降低了表面涂层的高温抗氧化能力，使其在1750℃下氧化失重率较高，无法长期有效的隔绝氧气；若厚度高于200μm，并不会随着厚度的增加，而对抗氧化能力有更好的改善，反而增加了成本。本专利技术LaB6/Y3Al5O
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外涂层的厚度若低于150μm，则不能有效地使碳碳坩埚在较高的温度下，保证较长时间的抗氧化能力，并且厚度较低，易使SiO2在较长时间的高温下，易挥发，从而影响碳碳坩埚的高温抗氧化性能和使用寿命；若厚度高于180μm，并不会随着厚度的增加，而对抗氧化能力和对SiC过渡层有更好的改善和保护，反而增加了成本。
[0010]本专利技术还提供了一种高性能的碳碳坩埚表面涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)基体预处理：将碳碳坩埚置于配置有乙醇的容器中，放入超声波清洗器中清洗，超声10～20min，重复清洗3次，以清除碳碳坩埚表面的污渍。
[0012](2)将Si粉、C粉和B2O3粉置于球磨机中，球磨15～20h，得均匀的A粉料；将Si粉、C粉和Al2O3粉置于球磨机中，球磨15～20h，得均匀的B粉料。
[0013](3)将A粉料置于石墨反应装置中，然后将预处理后的碳碳坩埚埋入A粉料中进行一次包埋处理；在氩气的环境下，将温度升至2100～2200℃，反应2～3h，降至室温；再将一次包埋后的碳碳坩埚埋入B粉料中进行多次包埋处理。
[0014]本专利技术采用Si粉、C粉和B2O3粉作为A料对碳碳坩埚进行首次包埋，B2O3粉起到一定的催化剂作用，催化Si和C反应，但主要目的使促进Si粉渗透，使其渗透入碳碳基体中，增加了SiC过渡层与碳碳基体间的相容性，使其与碳碳坩埚结合紧密，也减少了碳碳复合材料晶体中间隙和孔洞，使得SiC涂层更加致密。本专利技术采用Si粉、C粉和Al2O3粉作为B料，对碳碳坩埚进行第二次包埋或多次包埋，Al2O3粉主要起到催化剂的作用，催化Si和C反应，并且在界面处反应，增强涂层与碳碳基体的结合强度，在高温烧结过程中，首次包埋过程中的B2O3粉熔点低，具有良好的流动性，可以进一步将粉体带入包埋后的涂层孔隙中，使得本专利技术的SiC涂层更加致密，降低了本专利技术高温条件下，氧气的渗入，因此，该包埋工艺也提高了碳碳坩埚表面涂层的强度和高温抗氧化性能。
[0015](4)将多次包埋处理后的碳碳坩埚浸渍于有机硅浸渍剂中，在90～100℃下浸渍3～4h，经过滤，干燥，得待处理碳碳坩埚。
[0016]使用包埋法得到的SiC过渡层比较致密，但均匀性不太好，因此，本专利技术采用有机硅浸渍剂进行处理，浸渍剂中的硅烷小分子结构可均匀作用于SiC过渡层，与SiC过渡层有着良好的亲和力，能轻易渗透到碳碳基层内部，经过高温浸渍，可解决过渡层均匀性不好，且提高过渡层与外涂层、过渡层与碳碳基体间的粘结性，从而进一步提高表面涂层的使用寿命。
[0017](5)外涂层料浆的配制：将B粉、La2O3粉、Y3Al5O
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粉和Al粉按适当比例混合均匀，置于球磨机中，球磨12～24h，过300目筛网；然后获得的混合粉末与粘结剂、水混本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能的碳碳坩埚表面涂层，其特征在于，所述涂层主要通过先在碳碳坩埚的基底上先后沉积一层SiC过渡层和一层LaB6/Y3Al 5
O
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外涂层，所述SiC过渡层采用包埋法沉积，所述LaB6/Y3Al 5
O
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外涂层采用料浆法涂覆而成。2.根据权利要求1所述的高性能的碳碳坩埚表面涂层，其特征在于，所述SiC过渡层的厚度为120～200μm，所述LaB6/Y3Al5O
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外涂层的厚度为150～180μm。3.一种高性能的碳碳坩埚表面涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基体预处理：将碳碳坩埚置于配置有乙醇的容器中，放入超声波清洗器中清洗，超声10～20min，重复清洗3次，以清除碳碳坩埚表面的污渍；(2)将Si粉、C粉和B2O3粉置于球磨机中，球磨15～20h，得均匀的A粉料；将Si粉、C粉和Al2O3粉置于球磨机中，球磨15～20h，得均匀的B粉料；(3)将A粉料置于石墨反应装置中，然后将预处理后的碳碳坩埚埋入A粉料中进行一次包埋处理；在氩气的环境下，将温度升至2100～2200℃，反应2～3h，降至室温；再将一次包埋后的碳碳坩埚埋入B粉料中进行多次包埋处理；(4)将多次包埋处理后的碳碳坩埚浸渍于有机硅浸渍剂中，在90～100℃下浸渍3～4h，经过滤，干燥，得待处理碳碳坩埚；(5)外涂层料浆的配制：将B粉、La2O3粉、Y3Al 5
O
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粉和Al粉按适当比例混合均匀，置于球磨机中，球磨12～24h，过300目筛网；然后获得的混合粉末与粘结剂、水混合，用磁力搅拌成料浆，再将料刷将料浆均匀涂刷在待处理碳碳坩埚表面，干燥，然后置于高温热压炉中进行热处理，获得所需的碳碳坩埚表面涂层。4.根据权利要求3所述的高性能的碳碳坩埚表面涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中A粉料的S...

【专利技术属性】
技术研发人员：李陵，
申请(专利权)人：醴陵市东方电瓷电器有限公司，
类型：发明
国别省市：