一种石墨复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种石墨复合材料及其制备方法和应用，石墨复合材料包括石墨基材以及设置在石墨基材表面的复相涂层，复相涂层从内至外包括依次相连的碳化硅层、晶须增韧层和碳化钽

【技术实现步骤摘要】
一种石墨复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及炭材料及涂层
，具体涉及一种石墨复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]碳基材料因其低密度和优异的高温力学性能等特点，在航空航天、半导体材料方面具有广泛的应用前景。然而，在含氧气氛和酸碱腐蚀气氛的服役环境下，碳基材料会发生严重的氧化和酸碱腐蚀，严重限制了其在航空航天关键部位、热场及半导体领域的应用。为了解决该问题且经过国内外学者的大量研究发现，涂层技术是一种在苛刻环境下有效防护碳基材料的技术。
[0003]目前，碳化硅涂层已被广泛用作碳基材料的高温涂层，且表现出优异的抗氧化、抗腐蚀性能。尤其是在半导体制备领域，SiC涂层不仅可以为其常用的碳基材料提供足够的防护，还可以阻碍碳基中的碳元素扩散到产品中，提高产品的质量。尽管如此，随着半导体制备工业体系中的制备温度增加，单一SiC涂层已不能满足其需求。
[0004]申请号为202011431664.5的中国专利公开了一种具有复合涂层结构的MOCVD设备用基座盘及其制备方法，该方法通过化学气相共沉积法由内到外依次包括C
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SiC共沉积层、SiC涂层、SiC
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TaC共沉积层，有效缓解了TaC涂层热膨胀系数大而造成涂层中内应力大的影响，可有效避免涂层在使用过程中出现开裂脱落等问题。然而，由于陶瓷本身固有的脆性太大，尽管层与层之间的热匹配得到缓解，但是涂层在热应力的影响下还是极易开裂。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种石墨复合材料及其制备方法和应用，用以解决目前现有石墨基材表面涂层难以匹配高温使用工况、易脱落的技术问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种石墨复合材料，包括石墨基材以及设置在石墨基材表面的复相涂层，所述复相涂层从内至外包括依次相连的碳化硅层、晶须增韧层和碳化钽
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碳化硅复合层，所述晶须增韧层由碳化钽晶须构成，所述晶须增韧层中至少有部分所述碳化钽晶须伸入所述碳化硅层以及碳化钽
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碳化硅复合层之中。
[0007]上述技术方案的设计思路在于，
技术介绍
中已提到现有的碳化硅单一涂层很难满足石墨复合材料在极高温下的使用需求，而如果采用碳化钽
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碳化硅复合层或单一碳化钽层沉积在基材表面，虽可提高使用温度上限，但仍会因热应力的原因而出现直接开裂或脱落的问题，为解决上述涂层热稳定性差、寿命短的问题，本专利技术选用碳化钽
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碳化硅复合涂层作为石墨基材的最外涂层，以碳化硅层作为过渡层，并基于碳化钽晶须高度的取向性、高比强度、高比模量、良好的耐化学腐蚀性和抗氧化性能，在碳化硅过渡层的基础上沉积碳化钽晶须作为增强增韧相，碳化钽晶须基于碳化硅层且镶嵌在碳化钽
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碳化硅复合层中，一方面利用较高的长径比使涂层具有更佳的力学性能，另一方面碳化钽晶须与外层的物相形成
互穿网络结构，从而缓解最外层涂层的应力状态，由于复相涂层总厚度有一定上限，如果仅仅以碳化硅层作为过渡层来缓解热匹配问题的话，在2000℃以上的高温环境下是难以满足使用需求的，因此高熔点的晶须增韧层的引入至关重要；同时通过上述各层的设计，可以匹配石墨基材与晶须增韧层以及碳化钽
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碳化硅复合层的热膨胀差别，改善碳化钽
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碳化硅复合层本征热膨胀系数高带来的热失配问题。
[0008]作为上述技术方案的进一步优选，所述晶须增韧层中，碳化钽晶须呈网状分布，且所述碳化钽晶须的长径比为7~24。
[0009]作为上述技术方案的进一步优选，所述碳化硅层厚度为10~20μm，所述晶须增韧层的厚度为20~30μm，所述碳化钽
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碳化硅复合层的厚度为30~60μm。由于采用了碳化钽晶须形成晶须增韧层，可以增加碳化钽
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碳化硅复合层的厚度，使其具有更佳的耐腐蚀性和使用寿命；晶须增韧层的整体厚度限定在20~30μm，降低了制备难度的同时可以保证其碳化钽晶须可较深的嵌入碳化钽
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碳化硅复合层当中；碳化硅层的作用是缓解晶须增韧层与石墨基材的热失配问题，因此其厚度可以设计的相对较薄，从而降低成本，减少材料整体重量。
[0010]基于同一技术构思，本专利技术还提供一种上述石墨复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1、在所述石墨基材表面沉积碳化硅层；S2、在所述碳化硅层表面沉积碳化钽晶须，形成晶须增韧层；S3、在所述晶须增韧层表面沉积形成碳化钽
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碳化硅复合层，即得所述石墨复合材料。
[0011]作为上述技术方案的进一步优选，所述石墨基材在沉积碳化硅层前还进行预处理操作，所述预处理操作包括依次进行的打磨、清洗和纯化处理。
[0012]作为上述技术方案的进一步优选，所述纯化处理的操作包括：将所述石墨基材移至高温纯化炉内，保证炉内真空并升温至900℃～950℃，并保温0.3h～1.2h，保温的同时通入四氯化碳；再升温至1150℃～1500℃，并保温0.8h～1.6h，保温的同时交替向炉内通入四氯化碳和氩气；最后升温至1600~1800℃，并保温1. 3h~2.1h，保温的同时交替向炉内通入四氯化碳和氩气，保温完成后冷却即实现石墨基材的纯化处理。纯化处理可提高石墨材料的纯度，并影响涂层的性能。
[0013]作为上述技术方案的进一步优选，S1中沉积所述碳化硅层时，以四氯化硅为硅源、以甲烷为碳源进行气相沉积，沉积时甲烷和四氯化硅气体的摩尔比为2：(0.7~1.3)，沉积温度为1000~1600℃，沉积时间为1~5h。
[0014]作为上述技术方案的进一步优选，S2中采用碳热反应法沉积所述晶须增韧层，所述碳热反应法的操作包括：将Ta2O5、Ta和C的混合粉末置于一坩埚中，并将形成碳化硅层后的石墨材料悬挂于所述坩锅中，并整体置于热处理炉中，炉内升温至1400~1600℃并保温2h，冷却即实现碳化钽晶须的沉积。
[0015]作为上述技术方案的进一步优选，S3中沉积所述碳化钽
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碳化硅复合层时，将形成晶须增韧层后的石墨基材悬挂于气相沉积炉中，将炉内温度升至1300~1500℃后，向炉膛中输送TaCl5粉体和 SiCl3CH3，并通入氢气和甲烷保温5~10h，保温完成后冷却即实现碳化钽
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碳化硅复合层的沉积。
[0016]基于同一技术构思，本专利技术还提供一种上述石墨复合材料的应用，所述石墨复合
材料用于制作MOCVD设备的托盘。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：（1）本专利技术的石墨复合材料，其复相涂层具有高硬度、高化学稳定性和优异的抗烧蚀氧化性能，同时涂层之间热匹配度高、结合效果好的优势，因此具有良好的使用稳定性和使用寿命，可满足超2000℃的高温工况的使用条件。
[0018]（2）本专利技术采用三步法制备石墨复合材料，利用化学气相沉积技术在石墨材料表面制备出碳化硅层，然后在碳化硅层的基础上利用碳热还原反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨复合材料，其特征在于，包括石墨基材（4）以及设置在石墨基材（4）表面的复相涂层，所述复相涂层从内至外包括依次相连的碳化硅层（1）、晶须增韧层（2）和碳化钽
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碳化硅复合层（3），所述晶须增韧层（2）由碳化钽晶须构成，所述晶须增韧层（2）中至少有部分碳化钽晶须伸入所述碳化硅层（1）以及碳化钽
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碳化硅复合层（3）之中。2.根据权利要求1所述的石墨复合材料，其特征在于，所述晶须增韧层（2）中，碳化钽晶须呈网状分布，且所述碳化钽晶须的长径比为7~24。3.根据权利要求1或2所述的石墨复合材料，其特征在于，所述碳化硅层（1）的厚度为10~20μm，所述晶须增韧层（2）的厚度为20~30μm，所述碳化钽
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碳化硅复合层（3）的厚度为30~60μm。4.一种权利要求1
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3任一项所述的石墨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在石墨基材（4）表面沉积碳化硅层（1）；S2、在所述碳化硅层（1）表面沉积碳化钽晶须，形成晶须增韧层（2）；S3、在所述晶须增韧层（2）表面沉积形成碳化钽
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碳化硅复合层（3），即得所述石墨复合材料。5.根据权利要求4所述的石墨复合材料的制备方法，其特征在于，所述石墨基材（4）在沉积碳化硅层（1）前还进行预处理操作，所述预处理操作包括依次进行的打磨、清洗和纯化处理。6.根据权利要求5所述的石墨复合材料的制备方法，其特征在于，所述纯化处理的操作包括：将所述石墨基材（4）移至高温纯化炉内，保证炉内真空并升温至900℃～950℃，...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：湖南泰坦未来科技有限公司，
类型：发明
国别省市：