低溫低壓制備氮化硼涂層的方法
【技術領域】
[OO01 ]本發(fā)明涉及一種功能涂層材料的制備方法，特別是涉及一種界面相控制材料的制備方法，應用于化學氣相沉積法制備界面涂層材料制備技術領域。
【背景技術】
[0002]氮化硼具有輕質、耐高溫、抗氧化、抗熱震、耐腐蝕、優(yōu)良的摩擦磨損性能和優(yōu)異的介電性能等諸多優(yōu)點，是新一代高性能航空剎車材料的理想候選材料，代表了耐高溫透波材料的發(fā)展方向，是目前陶瓷基復合材料中可選擇的理想的界面相控制材料，因此，在航空航天、冶金、核能、機械、電子等諸多領域具有廣泛的應用前景。
[0003]界面是陶瓷基體與纖維的“紐帶”，是復合材料的“心臟”，具有連接纖維與基體以及把基體的應力傳遞到纖維上的作用，其結構直接影響著復合材料的性能。氮化硼作為涂層界面材料使用時，通過纖維涂覆方法可以對纖維進行氧化保護、反應阻擋、力學傳載等。其中，最基本和關鍵的要求是能偏轉裂紋，提高材料的韌性。
[0004]BN界面的制備方法有很多種，主要包括液相法(也稱為浸漬-涂覆法)、化學氣相沉積法和碳熱還原法。其中較為常見的主要有CVD法和浸漬-涂覆法。CVD法對設備的要求高，影響界面性能的工藝參數(shù)較多，但所得的涂層的質量往往較高，是制備高質量界面材料的首選。文獻中指出，CVD/CVI(化學氣相滲透)制備氮化硼涂層界面的溫度應在1400?1800°C，但大量實驗證明，在該溫度范圍內，采用CVD/CVI法制備的氮化硼界面涂層，由于制備溫度過高，體系反應速率較大，一方面導致氮化硼界面涂層沉積速率過快而造成涂層厚度不易控制，另一方面，會導致氮化硼界面涂層滲透能力下降，不利于纖維編織件內部生成厚度均勻的界面涂層。

【發(fā)明內容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種低溫低壓制備氮化硼涂層的方法，在低溫條件下采用化學氣相沉積法，以獲得厚度均勻、沉積速率可控且結晶度較高的氮化硼涂層。
[0006]為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術方案:
一種低溫低壓制備氮化硼涂層的方法，其特征在于，包括以下步驟:a.對沉積基底進行清洗，去除沉積基底表面的塵埃及其他污染物，干燥后放入等溫氮化硼化學氣相沉積爐的爐膛內；優(yōu)選所述沉積基底為碳化硅、硅片、石墨、碳纖維、陶瓷纖維及其編織件中的任意一種；
b.排除等溫氮化硼化學氣相沉積爐中的空氣，按設定程序升溫，待爐溫達到設定沉積溫度300?800°C后，保溫，再按照設定氣體流量比向等溫氮化硼化學氣相沉積爐中通入稀釋氣體和反應氣體，所述稀釋氣體同時作為所述反應氣體的載氣，所述反應氣體分別采用BCl3和NH3作為硼源和氮源，各氣體流量比分別控制為NH3/BC13=1?30，稀釋氣體/BCl3=O?100，控制等溫氮化硼化學氣相沉積爐內的反應氣體壓力為I?130mbar，并控制沉積反應時間為0.5?20h;所述稀釋氣體優(yōu)選采用高純氮氣和高純氬氣中任意一種氣體或兩種氣體的混合氣體；
c.在所述步驟b中進行的沉積反應結束后，停止向等溫氮化硼化學氣相沉積爐中通入反應氣體，繼續(xù)以稀釋氣體作為保護氣體，以5?20°C/min的速率快速升溫至1000?1800 °C進行高溫熱處理，控制熱處理時間為0.5?1h;所述稀釋氣體優(yōu)選采用高純氮氣和高純氬氣中任意一種氣體或兩種氣體的混合氣體；
d.在所述步驟c中進行的高溫熱處理完成后，關閉加熱系統(tǒng)，使沉積基底在保護性氣體的保護下隨爐自然降溫冷卻至室溫，即得沉積于沉積基底表面的氮化硼涂層。所述保護性氣體優(yōu)選采用高純氮氣和高純氬氣中任意一種氣體或兩種氣體的混合氣體。
[0007]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，在所述步驟b中，在向等溫氮化硼化學氣相沉積爐中通入反應氣體的同時，還通入催化氣體，氣體流量比控制為催化氣體/BCl3=O?100，在所述步驟b中進行的沉積反應結束后，停止向等溫氮化硼化學氣相沉積爐中通入催化氣體。所述催化氣體優(yōu)選采用氫氣。
[0008]作為上述方案中進一步優(yōu)選的技術方案，在所述步驟b中，通過控制等溫氮化硼化學氣相沉積爐內的反應氣體壓力、沉積反應時間和各氣體流量比，來控制沉積于沉積基底表面的氮化硼涂層的厚度及沉積速率;在所述步驟c中，通過控制高溫熱處理溫度和熱處理時間對氮化硼的結晶度進行調節(jié);最終在所述步驟c中得到沉積于沉積基底表面的均勻致密的氮化硼涂層。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點:
1.本發(fā)明方法解決化學氣相沉積法制備氮化硼涂層溫度過高的問題，適用于復合材料氮化硼界面的制備和樣品表面涂層的制備，本發(fā)明方法將氮化硼化學氣相沉積的沉積溫度由1300?1800 °C，降到了 300?800 °C，能制備出了滲透能力更強、厚度均勻可控、結晶度較高的氮化硼涂層，本發(fā)明采用低溫低壓化學氣相沉積法制備氮化硼涂層，根據(jù)實際應用需要，可以通過控制沉積時間、沉積溫度、氣體流量比、熱處理溫度和熱處理時間，能夠制備出不同氮化硼結構組成，實現(xiàn)無定形態(tài)、亂層結構的氮化硼和結晶性良好的六方氮化硼的選擇制備，實現(xiàn)厚度可控的氮化硼界面涂層制備；
2.本發(fā)明方法采用低溫、低壓制備氮化硼涂層，在低溫低壓條件下，更容易控制氮化硼的沉積速率，使化學沉積過程更安全、易操作；
3.本發(fā)明方法通過高溫熱處理工藝，可以控制所沉積的氮化硼的晶型結構，滿足了碳纖維及碳化硅纖維作為增強體制備復合材料時對界面材料的要求，有效保護了纖維，使得纖維能有效地傳遞載荷并產生脫粘、滑移和拔出，大幅提高了復合材料的力學性能，在對纖維預制體進行氮化硼涂層的沉積過程中，可以使氮化硼更好地在預制體內部進行沉積；
4.本發(fā)明方法能在硅片及石墨基底等多種材料表面沉積氮化硼涂層，可得到不同厚度的的氮化硼涂層，沉積溫度大幅降低，可實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應用，特別適合纖維及其編織件表面氮化硼界面涂層的工業(yè)化制備及應用。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明實施例一所制備的氮化硼涂層的紅外分析圖譜。
[0011]圖2是本發(fā)明實施例三所制備的氮化硼涂層的X射線衍射圖譜。
【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下:
實施例一:
在本實施例中，參見圖1，一種低溫低壓制備氮化硼涂層的方法，包括以下步驟:
(1)對石墨板進行清洗，去除表面塵埃及其他污染物，干燥后放入沉積爐膛內；
(2)對沉積爐膛進行抽真空，充入高純氮氣，反復循環(huán)五次，排除沉積爐膛內的空氣；
(3)充入高純氮氣，升溫至400°C;
(4)待溫度穩(wěn)定后，導入載氣氮氣，載氣流量100ml/min，導入反應氣體三氯化硼和氨氣，其中三氯化硼流量20ml/min，氨氣流量60ml/min，系統(tǒng)維持真空度1mbar，沉積時間5h ；
(5)沉積結束后，停止通入三氯化硼和氨氣，減小氮氣流量為20ml/min，快速升溫至1300°(:，保溫211;
(6)熱處理結束之后，關閉加熱系統(tǒng)，在氮氣保護下隨爐冷卻至室溫，即得沉積于石墨表面的六方氮化硼涂層。
[0013]通過紅外分析，對本實施例中制備的涂層進行檢測，結果表明，所得涂層為六方氮化硼涂層。其傅里葉紅外圖譜如圖1所示。
[0014]由圖1所示涂層傅里葉紅外光譜圖可見，位于1382cm—1和779cm—1的吸收峰分別歸屬于六方氮化硼中B-N鍵的伸縮振動和B-N-B的