專利名稱：一種剛玉－莫來石復(fù)相陶瓷涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD法)制造剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷涂層材料的方法，適用于制備碳纖維增韌碳基復(fù)合材料、碳纖維或碳化硅纖維增韌碳化硅等非氧化物陶瓷基復(fù)合材料防氧化涂層，也適用于金屬刀具等耐磨、絕熱涂層的制備。
背景技術(shù)：
莫來石或剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷被認(rèn)為是C/C、C/SiC等非氧化物復(fù)合材料理想的高溫防氧化抗沖刷涂層材料，一般采用溶膠-凝膠法制備，但是溶膠-凝膠法制備的涂層有較多孔隙，而且與復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度低，容易脫落。
1998年，Vinod Sarin申請了化學(xué)氣相沉積法制備SiC基材料用防氧化抗沖刷莫來石涂層專利，其核心是采用了AlCl3-SiCl4-H2-CO2氣相系統(tǒng)，制備溫度約為950～1050℃。但是由于制備溫度高，AlCl3、SiCl4水解速率快，容易產(chǎn)生氣相形核，所以制備的莫來石涂層與SiC基體結(jié)合強(qiáng)度弱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明特征在于在450～650℃的溫度下能夠沉積出致密的γ-Al2O3結(jié)合無定型SiO2的復(fù)合氧化物涂層，與基體結(jié)合強(qiáng)度高，具有優(yōu)越的抗沖刷性，該復(fù)合氧化物涂層經(jīng)過1250℃左右熱處理即轉(zhuǎn)化為剛玉(α-Al2O3)-莫來石復(fù)相涂層。所用設(shè)備為一般化學(xué)氣相沉積爐，氣相系統(tǒng)為AlCl3-SiCl4-H2-CO2。AlCl3與SiCl4分放在兩個容器中，AlCl3保溫130℃，SiCl4室溫使用，H2作為載氣，分別攜帶AlCl3與SiCl4蒸汽在進(jìn)入沉積爐時與CO2氣流混合，輸送AlCl3蒸汽的管道保持250℃恒溫以避免AlCl3蒸汽在輸氣管道中冷凝。將需制備涂層的試樣放置在爐中恒溫區(qū)，加熱至450～600℃，爐內(nèi)壓力低于76乇。
具體實施方案以石墨紙為基底通過化學(xué)氣相沉積法制備剛玉結(jié)合莫來石涂層，其中工藝參數(shù)為AlCl3溫度130℃AlCl3載氣流量(H2)200ml/minSiCl4載氣流量(H2)隨室溫變化按表1調(diào)整AlCl3流量/SiCl4流量2/1CO2流量75ml/min稀釋氣H2流量200～400ml/min沉積溫度550℃沉積時間30小時表1.進(jìn)入SiCl4鼓泡瓶中的載氣流量隨溫度變化調(diào)整對照表室溫 SiCl4/(kpa)AlCl3/SiCl4＝2/1*AlCl3/SiCl4＝3/1 AlCl3/SiCl4＝4/1 AlCl3/SiCl4＝5/1/℃飽和蒸汽壓20 26.0848 7.417424 4.944949 3.708712 2.9669721 27.2724 7.118639 4.745759 3.55932 2.84745622 28.4992 6.835375 4.556917 3.417688 2.7341523 29.7657 6.566722 4.377815 3.283361 2.62668924 31.0727 6.311764.20784 3.15588 2.52470425 32.4208 6.069676 4.046451 3.034838 2.42787126 33.8107 5.839693 3.893129 2.919847 2.33587727 35.2429 5.621117 3.747411 2.810558 2.24844728 36.7182 5.413253.608834 2.706625 2.165329 38.2372 5.215475 3.476983 2.607738 2.0861930 39.8005 5.027211 3.351474 2.513605 2.01088431 41.4088 4.847903 3.231936 2.423952 1.93916132 43.0628 4.677035 3.118023 2.338517 1.87081433 44.7631 4.514132 3.009422 2.257066 1.80565334 46.5103 4.358753 2.905835 2.179376 1.74350135 48.3051 4.210472 2.806981 2.105236 1.68418936 50.1482 4.068892 2.712595 2.034446 1.62755737 50.8 4.029684 2.686456 2.014842 1.611874*AlCl3/SiCl4表示AlCl3流量與SiCl4流量的比率。
沉積產(chǎn)物為半透明膜，與石墨紙結(jié)合強(qiáng)度大，不易分離。對其進(jìn)行X-射線衍射分析，結(jié)果見

圖1，表明沉積物為γ-Al2O3結(jié)合無定型SiO2的復(fù)合氧化物，其中石墨峰為石墨紙。將該復(fù)合氧化物進(jìn)行差熱分析(DSC)，結(jié)果見圖2。為避免石墨紙氧化對DSC曲線影響，實驗過程采用氬氣保護(hù)。結(jié)果表明DSC曲線在792.7℃有一弱的放熱峰，在983.6℃有一較尖銳的放熱峰，在1239.9℃有一弱的吸熱峰。
將550℃制備的復(fù)合氧化物分別經(jīng)800℃、1050℃和1250℃于大氣環(huán)境下熱處理2小時，然后進(jìn)行X-射線衍射分析，結(jié)果分別見圖3、圖4和圖5。由于大氣環(huán)境下石墨紙氧化成CO或CO2揮發(fā)，所以1050℃和1250℃處理后試樣的衍射圖譜中沒有出現(xiàn)石墨峰，而800℃熱處理后尚殘余部分石墨紙，所以衍射圖譜中有弱的石墨峰。衍射結(jié)果表明，983.6℃和1239.9℃都是莫來石形成峰，前者是化學(xué)氣相沉積中達(dá)到分子級水平混合的氧化鋁與氧化硅反應(yīng)生成莫來石的放熱峰，即γ-氧化鋁與無定型氧化硅反應(yīng)過程；后者是納米級水平混合的氧化鋁與氧化硅反應(yīng)生成莫來石的吸熱峰，由于是納米級混合，反應(yīng)溫度較高，所以無定型氧化硅轉(zhuǎn)化成β-方石英，γ-氧化鋁轉(zhuǎn)化成δ-氧化鋁，然后β-方石英再與δ-氧化鋁反應(yīng)生成莫來石。
通過對圖5進(jìn)行X-射線衍射半定量分析，該實施例制備的剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷中，剛玉含量為32wt％，莫來石含量為68wt％。
權(quán)利要求
1.一種由化學(xué)氣相沉積結(jié)合后處理制備剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷涂層技術(shù)，本發(fā)明特征在于化學(xué)氣相沉積過程溫度為450～650℃，氣相系統(tǒng)為AlCl3-SiCl4-H2-CO2，后處理條件為1250℃左右處理2小時。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷中剛玉含量通過AlCl3流量/SiCl4流量控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于調(diào)整H2流量/CO2流量之比，可以獲得不同微結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物涂層，H2流量/CO2流量之比為5/1時，復(fù)合氧化物涂層的微結(jié)構(gòu)為柱狀，為2/1時，微結(jié)構(gòu)為等軸狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在450～650℃化學(xué)氣相沉積產(chǎn)物為γ-Al2O3結(jié)合無定型SiO2的致密復(fù)合氧化物涂層，其DSC曲線在983.6℃有一較為尖銳放熱峰，在1239.9℃有一較弱吸熱峰。
5.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在化學(xué)氣相沉積制備的γ-Al2O3結(jié)合無定型SiO2的致密復(fù)合氧化物涂層需經(jīng)1250℃左右熱處理轉(zhuǎn)化為剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種剛玉－莫來石復(fù)相陶瓷涂層制備方法。采用一定的先驅(qū)體氣相系統(tǒng)在450℃～650℃的溫度下通過減壓化學(xué)氣相沉積法制備出γ－Al
文檔編號C23C16/40GK1448535SQ02114500
公開日2003年10月15日 申請日期2002年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月4日
發(fā)明者陳照峰, 張立同, 成來飛, 徐永東 申請人:西北工業(yè)大學(xué)