提高碳基电极表面性能的复合涂层、石墨电极及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种提高碳基电极表面性能的复合涂层、石墨电极及制备方法。本发明专利技术所述的复合涂层包括第一过渡层、第二过渡层以及保护层，所述复合涂层的厚度为15～35μm，所述第一过渡层为厚度为3～4μm的Ta层，所述第二过渡层为厚度为2～6μm的Ta

【技术实现步骤摘要】
提高碳基电极表面性能的复合涂层、石墨电极及制备方法


[0001]本专利技术涉及石墨电极表面抗烧蚀及抗氧化处理技术，特别涉及一种提高碳基电极表面性能的复合涂层、石墨电极及制备方法。

技术介绍

[0002]石墨电极是指以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为黏结剂，经过原料煅烧、破碎磨粉、配料、混捏、成型、焙烧、浸渍、石墨化和机械加工而制成的一种耐高温石墨质导电材料，具有导电性好、放电速度快、密度小等优点。但作为电极材料的一种，耐烧蚀性能是影响其使用寿命的重要因素，石墨电极放电烧蚀后质量亏损和体积烧蚀速率较大。同时，石墨电极也存在高温易氧化的缺点，随着温度的升高，碳氧反应会不断加剧，可能导致石墨表面结构疏松，发生脱落。这使得提高石墨电极表面抗烧蚀抗氧化性能成为了半导体领域亟待解决的问题之一。
[0003]目前用于提高石墨电极表面性能较常用、较广泛的方法是外涂层法，在石墨电极表面形成保护层。外涂层法可以有效提高石墨电极的抗烧蚀、抗氧化等性能，主要包括金属涂层、玻璃涂层、陶瓷涂层等。其中使用较多的是陶瓷涂层，因为陶瓷涂层相对于其他涂层来说成型更容易、涂层厚度可控性更好、导电导热性紧密结合。常用的陶瓷涂层有SiC、硼玻璃、ZrC、HfC、TaC等，都具备提高石墨电极抗烧蚀、抗氧化的能力。
[0004]其中TaC不仅能在3000℃以上保持良好机械性能，还具有抗烧蚀抗氧化性能良好、高温力学性能稳定、高温抗化学腐蚀性能好，硬度高、导电性好、热导系数较大、与碳基材料有良好化学相容性和力学相容性等优点。可以作为石墨电极的保护性涂层，提高其抗烧蚀和抗氧化性能。但是TaC作为陶瓷涂层，其塑性变形能力较差，对应力和裂纹较敏感，抗热震和缓解疲劳特性较差，且热膨胀系数与石墨电极差异较大，易发生涂层剥落。为解决涂层与基体间的热失配问题，常引入第二相或添加中间层，形成涂层与基体的梯度组成结构来缓冲热应力，提高塑性变形能力，避免裂纹与剥落。Ta、Ta2C都比TaC延展性好，热膨胀系数介于石墨电极材料与TaC之间，作为中间层可以改善涂层的耐热冲击性能，对热应力起到缓冲作用，可以层层缓解变形避免涂层产生裂纹与剥落，确保涂层与基体间的紧密结合。
[0005]现有的制备TaC等陶瓷涂层的方法主要有三种：固相法、液相法、气相法。固相法包括还原法、化合法等；液相法包括熔盐法、溶胶凝胶法、料浆
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烧结法、等离子喷涂法等；气相法包括化学气相沉积CVD、物理气相沉积PVD、化学气相渗透CVI等。不同方法的优缺点不同，如熔盐法原料易得、反应温度低，但难以实现工件表面的选择性涂覆；喷涂法工艺简单、涂层结合较好，但涂层易存在孔隙裂纹等缺陷且涂料易氧化；CVD法涂层密度纯度可控，可对复杂工件镀膜，但对设备性能要求严格，沉积速率低，周期长；PVD法粒子均匀细小，涂层致密，但实验条件要求较高，制备成本高。
[0006]随着半导体领域的高速发展，对石墨电极等电极材料在性能和使用寿命上提出了更高的要求，故对石墨电极进行表面抗烧蚀、抗氧化的改性处理，提高石墨电极的使用寿命，对半导体石墨电极的发展具有重要意义。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：本专利技术要解决的技术问题是提供一种可用于碳基电极的Ta
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Ta
x
C
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TaC复合涂层，该复合涂层包括Ta涂层、Ta
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C梯度层和TaC外保护层三部分。本专利技术还提供一种含有Ta
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Ta
x
C
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TaC复合涂层石墨电极及制备方法。本专利技术采用磁控溅射技术和双辉等离子表面冶金技术进行涂层的制备，依次在石墨电极上制备了Ta层作为第一过渡层、Ta
x
C(Ta2C+TaC)中间层作为第二过渡层和TaC保护层，成功在石墨电极表面制备出一种具有高结合强度、优异抗烧蚀性能和抗氧化性能的复合涂层。
[0008]技术方案：本专利技术所述的一种提高碳基电极表面性能的复合涂层，包括第一过渡层、第二过渡层以及保护层，所述复合涂层的厚度为15～35μm，所述第一过渡层为厚度为3～4μm的Ta层，所述第二过渡层为厚度为2～6μm的Ta
x
C层，所述保护层为厚度为10～20μm的TaC层，所述Ta
x
C层由Ta2C以及TaC组成，所述x为Ta在Ta
x
C层中的元素摩尔比。本专利技术中，x的取值范围为1～2。
[0009]本专利技术采用磁控溅射技术和双辉等离子表面冶金技术依次在石墨电极上制备了Ta第一过渡层、Ta
x
C(Ta2C+TaC)第二过渡层和TaC保护层，成功制备出Ta
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Ta
x
C
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TaC复合涂层，该复合涂层具有高结合强度、优异抗烧蚀性能和抗氧化性能。
[0010]本专利技术Ta
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Ta
x
C
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TaC复合涂层结构，总厚度为15～35μm，包括Ta
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Ta
x
C梯度层5～10μm(其中Ta
x
C层3～5μm)、TaC保护层10～20μm。Ta、Ta2C的力学性能介于石墨电极材料与TaC之间，具有较好的塑性，以Ta、Ta
x
C(Ta2C+TaC)作中间梯度层可以形成塑性、热膨胀系数呈梯度分布的结构，逐层缓解变形来缓冲热应力，改善涂层耐热冲击性能，避免涂层产生裂纹或剥落。TaC具有优异的抗烧蚀和抗氧化能力，以TaC作为保护层，减少石墨电极的烧蚀损伤，阻挡氧气向基体内部的扩散。这样一种多层复合涂层结构不仅有效保护了石墨电极，还保证了外保护层的完整性以及基体与涂层间的紧密结合。
[0011]作为本专利技术的一种优选实施方式，所述第一过渡层通过磁控溅射方法制备，制备参数为：溅射温度为200～300℃，溅射功率为80～120W，溅射时间为1.5～2.5h。
[0012]作为本专利技术的一种优选实施方式，所述第二过渡层通过双辉等离子表面冶金法制备，制备参数为：工件阴极电压为250～350V，阴极电流0.2～0.3A，靶材源极电压为550～650V，源极电流2.5～3A，保温时间为1.5～2.5h。
[0013]作为本专利技术的一种优选实施方式，所述保护层通过双辉等离子表面冶金法制备，制备参数为：工件阴极电压为400～500V，阴极电流0.25～0.35A，靶材源极电压为800～900V，源极电流2.5～3A，保温时间为3～5h。
[0014]本专利技术所述的复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0015](S11)在碳基电极表面通过磁控溅射方法沉积Ta层：溅射温度为200～300℃，溅射功率为80～120W，溅射时间为1.5～2.5h；
[0016](S12)以步骤(S11)得到的材料作为工件极，C靶材作为源极，通过双辉等离子表面冶金法制备第二过渡层，制备参数为：工件阴极电压为250～350V，阴极电流0.2～0.3A，靶材源极电压为5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高碳基电极表面性能的复合涂层，其特征在于，所述复合涂层包括第一过渡层、第二过渡层以及保护层，所述复合涂层的厚度为15～35μm，所述第一过渡层为厚度为3～4μm的Ta层，所述第二过渡层为厚度为2～6μm的Ta
x
C层，所述保护层为厚度为10～20μm的TaC层，所述Ta
x
C层由Ta2C以及TaC组成，所述x为Ta在Ta
x
C层中的元素摩尔比。2.根据权利要求1所述的提高碳基电极表面性能的复合涂层，其特征在于，所述第一过渡层通过磁控溅射方法制备，制备参数为：溅射温度为200～300℃，溅射功率为80～120W，溅射时间为1.5～2.5h。3.根据权利要求1所述的提高碳基电极表面性能的复合涂层，其特征在于，所述第二过渡层通过双辉等离子表面冶金法制备，制备参数为：工件阴极电压为250～350V，阴极电流0.2～0.3A，靶材源极电压为550～650V，源极电流2.5～3A，保温时间为1.5～2.5h。4.根据权利要求1所述的提高碳基电极表面性能的复合涂层，其特征在于，所述保护层通过双辉等离子表面冶金法制备，制备参数为：工件阴极电压为400～500V，阴极电流0.25～0.35A，靶材源极电压为800～900V，源极电流2.5～3A，保温时间为3～5h。5.一种如权利要求1所述的复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(S11)在碳基电极表面通过磁控溅射方法沉积Ta层：溅射温度为200～300℃，溅射功率为80～120W，溅射时间为1.5～2.5h；(S12)以步骤(S11)得到的材料作为工件极，C靶材作为源极，通过双辉等离子表面冶金法制备第二过渡层，制备参数为：工件阴极电压为250～350V，阴极电流0.2～0.3A，靶材源极电压为550～650V，源极电流2.5～3A，保温时间为1.5～2.5h；(S1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张平则，王彦，杨凯，李淑琴，魏东博，李逢昆，党博，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：