一种碳材料表面双层SiC/TaC涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳材料表面双层SiC/TaC涂层及其制备方法。所述碳材料表面双层SiC/TaC涂层包括：依次形成在碳材料表面的SiC过渡层和TaC面层，且TaC面层为纯相TaC。且TaC面层为纯相TaC。且TaC面层为纯相TaC。

【技术实现步骤摘要】
一种碳材料表面双层SiC/TaC涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种碳材料表面双层SiC/TaC涂层及其制备方法，主要用于碳材料表面耐高温腐蚀涂层的制备，特别是半导体生产用碳材料。

技术介绍

[0002]石墨等碳材料常用作半导体生产用的坩埚、发热体、导流筒、操作手、工装等部件，它的纯度和化学稳定性等直接关系到半导体材料的纯度、性能和品质，因而是半导体生产的关键材料。石墨中的挥发性气体和石墨颗粒会对半导体的性能和品质产生重大影响，国内外通用的做法是对石墨进行表面改性，制备密封性能良好的耐高温腐蚀涂层，减少或消除石墨对半导体成分、结构和性能的影响，从而提高半导体材料的品质。
[0003]目前，国内外普遍采用化学气相沉积技术制备耐高温腐蚀SiC和BN涂层。一方面防止石墨中的挥发性气体对半导体产生影响；另一方面，阻止腐蚀性气体与石墨反应及碳元素的气相扩散。然而，当具有更高的温度(＞2000℃)和更强的腐蚀性气体(NH3和H2等)时，表面制备SiC涂层的石墨部件仍会对生产的半导体产生污染。因此，必须采用高温稳定性更好、耐腐蚀性更强的物质作为涂层材料。
[0004]TaC具有高熔点，在还原气氛下能耐较多酸、碱、盐等物质的腐蚀，高温化学稳定性和耐腐蚀性优于SiC。因而，TaC是碳材料表面性能优异的涂层材料(沈小松，王松，李伟，蒋进明.碳基材料表面TaC涂层的研究进.人工晶体学报，46(2017)1154
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1159)。
[0005]但就目前的TaC涂层CVD和等离子喷涂制备技术来说，其缺点主要是：涂层薄时，抗透气性不高，达不到应有隔绝气体的目的；而当涂层的厚度超过一定值时，涂层易出现裂纹，从而失去对石墨的保护。主要原因是TaC涂层的热膨胀系数较大(TaC：6.30
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6/K)，约为半导体用石墨热膨胀系数的两倍以上，直接在石墨表面制备TaC涂层，使用过程中很容易出现裂纹而失效。必须解决TaC涂层与石墨的热膨胀失配问题，才能实现高性能TaC涂层的应用。其中，CVD法存在沉积效率低、价格昂贵等问题。等离子喷涂技术具有焰流温度高、粉体沉积效率高、涂层质量较好和生产效率高等特点，适用于喷涂TaC涂层。但是，在喷涂过程中TaC易失碳形成亚稳相Ta2C，从而影响TaC涂层的耐高温腐蚀性能。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术提供了一种碳材料表面双层SiC/TaC涂层及其制备方法。
[0007]一方面，本专利技术提供了一种碳材料表面双层SiC/TaC涂层，包括：依次形成在碳材料表面的SiC过渡层和TaC面层，且TaC面层为纯相TaC。
[0008]较佳的，所述SiC过渡层的厚度为10～150μm，优选为20～120μm；所述TaC面层的厚度为30～300μm，优选为50～250μm。
[0009]较佳的，所述碳材料选自石墨增强复合材料(C/C)、或碳纤维增强复合材料(C
f
/SiC)。
[0010]又，较佳的，所述碳材料经过表面预处理，所述表面预处理包括喷砂粗化和超声清
洗。
[0011]另一方面，本专利技术提供了一种上述碳材料表面双层SiC/TaC涂层的制备方法，包括：(1)采用等离子喷涂在碳材料表面制备Si涂层，然后在(氩气等)惰性气氛保护下，采用真空碳管炉对制备有Si涂层的碳材料进行高温热处理，使得Si和石墨发生渗碳原位反应形成SiC过渡层；优选，所述高温热处理温度为1450～1800℃，保温时间为1～4小时，(氩气等)惰性气氛。(2)采用喷雾造粒和等离子球化相结合的方法制备TaC喷涂粉体，采用等离子喷涂技术在SiC过渡层表面制备TaC涂层；(3)采真空碳管炉进行后处理，将喷涂过程中产生的Ta2C相转化成TaC相，得到纯相TaC面层；优选，所述后处理的温度为1000～2500℃，保温时间为0.5～5小时。
[0012]较佳的，将TaC粉体、溶剂和粘结剂混合，得到浆料，将所得浆料喷雾造粒、烧结；然后进行感应等离子球化，过筛和清洗，得到喷涂粉体；所述混合的方法为球磨混合，采用的溶剂为乙醇或水，采用的粘结剂为PVA。
[0013]较佳的，所述溶剂为水，所述粘结剂为聚乙烯醇水溶液(其中聚乙烯醇质量分数为5％)，加入量为TaC粉体总质量的15～20wt.％。
[0014]较佳的，所述喷雾造粒的工艺参数包括：进口温度为180～240℃，出口温度为80～140℃，进料速度为25～35转/分钟，转子速度为15000～18000转/分钟。
[0015]较佳的，所述感应等离子球化工艺参数包括：等离子气Ar：80～100slpm；粉末载气Ar：3～10slpm；等离子气体H2：5～15slpm；喷涂功率：60～100kW；送粉速率：8～20转/分钟；其中slpm是指标准升/分钟。
[0016]较佳的，步骤(1)或步骤(2)中，所述等离子喷涂工艺参数包括：等离子气体Ar：35～48slpm；粉末载气Ar：2～7slpm；等离子气体H2：5～15slpm；喷涂距离：90～220mm；喷涂功率：40～50kW；送粉速率：8～20转/分钟。
[0017]有益效果：(1)本专利技术将SiC涂层与TaC涂层有机复合，在沉积TaC涂层之前，先制备SiC过渡层，这种双层结构可以大幅度提高涂层与基底之间的结合力。既能够解决TaC涂层与高纯石墨的热膨胀失配问题，避免TaC涂层产生裂纹，还能提高整体涂层的耐高温腐蚀能力；(2)采用真空碳管炉对TaC涂层进行热处理，可以将喷涂过程中产生的Ta2C转化成TaC，进而提高涂层的耐高温腐蚀性能；(3)本专利技术的方法具有工艺简单、效率高、可重复性好、涂层厚度可控和适合规模化生产等优点。该方法适应于制备碳材料表面耐高温腐蚀涂层。
附图说明
[0018]图1为TaC粉体形貌图(商业粉(a)、喷雾造粒粉(b)和等离子球化粉(c))；图2为TaC涂层截面形貌图；图3为喷涂态的TaC涂层的XRD图谱；图4为500℃热处理3h后TaC涂层的XRD图谱；图5为900℃热处理3h后TaC涂层的XRD图谱；
图6为1300℃热处理3h后TaC涂层的XRD图谱；图7为1700℃热处理3h后TaC涂层的XRD图谱；图8为喷涂态(a)和500℃(b)、900℃(c)、1300℃(d)、1700℃(e)热处理3h后TaC涂层部件的的宏观形貌。
具体实施方式
[0019]以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。
[0020]准备基体。本专利技术中，所述基体可以是石墨和碳纤维增强复合材料基体(C/C、C/SiC)等。首先对基体进行预处理，包括喷砂粗化、超声清洗和烘干，其中喷砂压力可以为0.1～0.6MPa。
[0021]采用等离子喷涂技术在基体表面制备Si涂层。其中，所述等离子喷涂技术工艺参数包括：等离子气体Ar：35～48slpm；粉末载气Ar：2～7slpm；等离子气体H2：5～1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳材料表面双层SiC/TaC涂层，其特征在于，包括：依次形成在碳材料表面的SiC过渡层和TaC面层，且TaC面层为纯相TaC。2.根据权利要求1所述的碳材料表面双层SiC/TaC涂层，其特征在于，所述SiC过渡层的厚度为10～150 μm，优选为20～120 μm；所述TaC面层的厚度为30～300 μm，优选为50～250 μm。3.根据权利要求1或2所述的碳材料表面双层SiC/TaC涂层，其特征在于，所述碳材料选自石墨增强复合材料（C/C）、或碳纤维增强复合材料（C
f
/SiC）。4.根据权利要求3所述的碳材料表面双层SiC/TaC涂层，其特征在于，所述碳材料经过表面预处理，所述表面预处理包括喷砂粗化和超声清洗。5.一种如权利要求1
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4中任一项所述的碳材料表面双层SiC/TaC涂层的制备方法，其特征在于，包括：（1）采用等离子喷涂在碳材料表面制备Si涂层，然后在惰性气氛保护下，采用真空碳管炉对制备有Si涂层的碳材料进行高温热处理，使得Si和石墨发生渗碳原位反应形成SiC过渡层；优选地，所述高温热处理温度为1450～1800 ℃，保温时间为1～4 小时；（2）采用喷雾造粒和等离子球化相结合的方法制备TaC喷涂粉体，采用等离子喷涂在SiC过渡层表面制备TaC涂层；（3）采真空碳管炉对双层SiC/TaC涂层进行后处理，得到纯相TaC面层；优选地，所述后处理的温度为1000～2500 ℃，保...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪督，牛亚然，钟鑫，黄利平，石旻昊，黄山松，郑学斌，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：