專利名稱：一種在石墨材料表面制備抗氧化SiC涂層的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在石墨材料表面制備抗氧化SiC涂層的方法，屬于石墨基體材料保護領域。
背景技術：
石墨材料具有優(yōu)良的導電、導熱及自潤滑性能，具有較小的熱膨脹系數，抗熱沖擊性能優(yōu)良，且石墨材料易于機械加工。因此，在機械、電子、半導體、冶金、生物工程等領域獲得廣泛應用，已成為一種不可缺少的特殊工程材料。然而，石墨材料的高溫抗氧化能力差，在一定程度上限制了石墨材料應用領域的擴大。而石墨材料的氧化防護是延長其工作壽命，提高其工作穩(wěn)定性和可靠性的根本措施。提高石墨材料的抗氧化性能，在石墨材料表面制備抗氧化涂層是解決其高溫氧化防護的一種主要方法。在各類抗氧化涂層物質中，SiC與石墨材料的熱膨脹系數比較接近，并且氧化后生成的SiO2對氧的擴散速率小，是較好的耐高溫薄膜涂層材料。在石墨材料表面制備SiC抗氧化涂層的方法通常有包埋固滲法、涂刷法、離子噴涂法及CVD法等。中國發(fā)明專利第200310121765. 2號公開了一種石墨材料表面抗氧化涂層的制備方法，該方法首先把聚碳硅烷(PCQ溶液涂敷在石墨基體表面，揮發(fā)后得到PCS涂層，然后進行高溫裂解制備得SiC抗氧化涂層；C. Y. Xie等在Surface modification of thick SiC gradient coatings on doped graphite under long pulse plasma irradiation[Journal of Nuclear Materials, 363-365 (2007) 282-286]中采用等離子噴涂方法在石墨材料表面制備了 SiC 抗氧化涂層；Toshiki Kingetsu 等在 Correlation between the oxidation behavior and the microstructure of SiC coatings deposited on graphite substrates via chemical vapor deposition[Thin Solid Films 315 (1998) 139-143]中采用CVD方法在石墨材料表面制備了 SiC抗氧化涂層。然而，這幾種方法制備的涂層一般含有很多微裂紋及孔洞，為氧氣等的擴散提供了途徑；涂層和石墨基體材料間的結合能力較差，導致涂層容易剝落，從而影響涂層的抗氧化能力。且CVD工藝復雜、影響參數多，對設備要求較高。鑒于以上缺陷，實有必要提供一種改進的制備石墨材料表面抗氧化SiC涂層的方法以克服上述缺陷。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種制備石墨材料表面抗氧化SiC涂層的方法。所得抗氧化SiC涂層的致密性和均勻性好，涂層結合能力強；有利于石墨材料抗氧化性能的提高，且設備簡單、操作方便。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種在石墨材料表面制備抗氧化SiC涂層的方法，包括以下步驟步驟1 硅靶材的制備稱取純度為99. 9%的硅粉400g，加入重量百分濃度為30 45%的粘結劑50ml混合均勻，造粒后壓制成型，最后烘干制得硅靶材；步驟2 將石墨材料打磨、拋光后，置于無水乙醇中超聲清洗，最后用去離子水沖洗，烘干備用；步驟3 采用磁控濺射鍍膜設備，將步驟1制備的硅靶材置于鍍膜室內的射頻濺射陰極上，作為濺射靶材，將步驟2所得的石墨基體材料安裝于進樣室內的基片架上；步驟4 對鍍膜室和樣品室抽真空至本底真空小于等于10-4! 后，向其中通入純度為99. 99%的高純氬氣，壓強控制在2 5Pa，調節(jié)石墨基體與靶材之間的間距為90mm，在濺射功率為100 400W下濺射10 25min后取出基體試樣，即在石墨材料表面制得Si涂層；步驟5 將步驟4制得具有Si涂層的石墨基體，裝入真空管式爐中進行真空熱處理，冷卻后取出試樣，即得石墨材料表面抗氧化SiC涂層。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟2中所述石墨材料用S^2砂紙進行打磨、 拋光；作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟1中的粘合劑為聚乙烯醇；作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟1中壓制成型的壓力控制在15 30kN ；作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟5的真空熱處理的溫度為1100 1400°C， 熱處理時間為30 60min。本發(fā)明在石墨材料表面制備抗氧化SiC涂層的方法至少具有以下優(yōu)點本發(fā)明采用磁控濺射鍍膜設備，選用純度為99. 9%的硅粉制備Si靶材，體積分數為99. 99%的高純氬氣為濺射氣體，經射頻磁控濺射在石墨材料表面制備Si涂層，然后經過真空熱處理得到抗氧化SiC涂層。該制備方法所得抗氧化SiC涂層的致密性和均勻性好，具有抗熱沖擊性和良好的高溫抗氧化性能；通過調整磁控濺射工藝參數、真空熱處理溫度及時間，可以方便控制抗氧化SiC涂層厚度；且該制備工藝可實現(xiàn)規(guī)模化制備石墨基SiC抗氧化涂層，工藝過程相對簡單，重復性好。


圖1是由本發(fā)明制備的抗氧化SiC涂層的XRD圖譜；圖2是本發(fā)明制備的石墨材料表面抗氧化SiC涂層的SEM斷面形貌。
具體實施例方式實施例1 步驟1 硅靶材的制備稱取純度為99. 9%的硅粉400g，加入重量百分濃度30% 的PVA粘結劑50ml混合均勻，造粒后壓制成型，壓力控制在15kN，最后在80°C下烘干制得硅靶材。步驟2 將石墨材料用SiO2砂紙進行打磨、拋光，置于無水乙醇中超聲清洗，最后用去離子水沖洗，烘干備用；步驟3 采用超高真空多功能磁控濺射鍍膜設備，將步驟1制備的硅靶材置于鍍膜室內的射頻濺射陰極上，作為濺射靶材，將步驟2所得的石墨基體材料安裝于進樣室內的基片架上。
步驟4 對鍍膜室和樣品室抽真空至真空度小于等于后，向其中通入純度為 99. 99%的高純Ar氣。Ar氣由氣體流量計控制裝置引入真空鍍膜室，壓強控制在2Pa，調節(jié)石墨基體與靶材之間的間距為90mm，在濺射功率為100W下濺射IOmin后取出基體試樣，即在石墨材料表面制得Si涂層。步驟5 將步驟4制得Si涂層的石墨基體，裝入真空管式爐中進行真空熱處理， 控制處理溫度為1100°C，熱處理時間為60min，冷卻后取出試樣，即得石墨材料表面抗氧化 SiC涂層。實施例2 步驟1 硅靶材的制備稱取純度為99. 9%的硅粉400g，加入重量百分濃度35% 的PVA粘結劑50ml混合均勻，造粒后壓制成型，壓力控制在20kN，最后在80°C下烘干制得硅靶材。步驟2 將石墨材料用SiO2砂紙進行打磨、拋光，置于無水乙醇中超聲清洗，最后用去離子水沖洗，烘干備用；步驟3 采用超高真空多功能磁控濺射鍍膜設備，將步驟1制備的Si靶材置于鍍膜室內的射頻濺射陰極上，作為濺射靶材，將步驟2所得的石墨基體材料安裝于進樣室內的基片架上。步驟4 對鍍膜室和樣品室抽真空至本底真空小于等于后，向其中通入純度為99. 99 %的高純Ar氣。Ar氣由氣體流量計控制裝置引入真空鍍膜室，壓強控制在3Pa，調節(jié)石墨基體與靶材之間的間距為90mm，在濺射功率為200W下濺射15min后取出基體試樣， 即在石墨材料表面制得Si涂層。步驟5 將步驟4制得Si涂層的石墨基體，裝入真空管式爐中進行真空熱處理， 控制處理溫度為1200°C，熱處理時間為50min，冷卻后取出試樣，即得石墨材料表面抗氧化 SiC涂層。實施例3 步驟1 硅靶材的制備稱取純度為99. 9%的硅粉400g，加入重量百分濃度40% 的PVA粘結劑50ml混合均勻，造粒后壓制成型，壓力控制在25kN，最后在80°C下烘干制得硅靶材。步驟2 將石墨材料用SiO2砂紙進行打磨、拋光，置于無水乙醇中超聲清洗，最后用去離子水沖洗，烘干備用；步驟3 采用超高真空多功能磁控濺射鍍膜設備，將步驟1制備的Si靶材置于鍍膜室內的射頻濺射陰極上，作為濺射靶材，將步驟2所得的石墨基體材料安裝于進樣室內的基片架上。步驟4 對鍍膜室和樣品室抽真空至本底真空小于等于后，向其中通入純度為99. 99 %的高純Ar氣。Ar氣由氣體流量計控制裝置引入真空鍍膜室，壓強控制在4Pa，調節(jié)石墨基體與靶材之間的間距為90mm，在濺射功率為300W下濺射20min后取出基體試樣， 即在石墨材料表面制得Si涂層。步驟5 將步驟4制得Si涂層的石墨基體，裝入真空管式爐中進行真空熱處理， 控制處理溫度為1300°C，熱處理時間為40min，冷卻后取出試樣，即得石墨材料表面抗氧化 SiC涂層。
實施例4 步驟1 硅靶材的制備稱取純度為99. 9%的硅粉400g，加入重量百分濃度45% 的PVA粘結劑50ml混合均勻，造粒后壓制成型，壓力控制在30kN，最后在80°C下烘干制得硅靶材。步驟2 將石墨材料用SiO2砂紙進行打磨、拋光，置于無水乙醇中超聲清洗，最后用去離子水沖洗，烘干備用；步驟3 采用超高真空多功能磁控濺射鍍膜設備，將步驟1制備的Si靶材置于鍍膜室內的射頻濺射陰極上，作為濺射靶材，將步驟2所得的石墨基體材料安裝于進樣室內的基片架上。步驟4 對鍍膜室和樣品室抽真空至本底真空小于等于后，向其中通入純度為99. 99 %的高純Ar氣。Ar氣由氣體流量計控制裝置引入真空鍍膜室，壓強控制在5Pa，調節(jié)石墨基體與靶材之間的間距為90mm，在濺射功率為400W下濺射25min后取出基體試樣， 即在石墨材料表面制得Si涂層。步驟5 將步驟4制得Si涂層的石墨基體，裝入真空管式爐中進行真空熱處理， 控制處理溫度為1400°C，熱處理時間為30min，冷卻后取出試樣，即得石墨材料表面抗氧化 SiC涂層。實施例5 步驟1 硅靶材的制備稱取純度為99. 9%的硅粉400g，加入重量百分濃度30 45%的PVA粘結劑50ml混合均勻，造粒后壓制成型，壓力控制在15 30kN，最后在80°C下烘干制得硅靶材。步驟2 將石墨材料用SiO2砂紙進行打磨、拋光，置于無水乙醇中超聲清洗，最后用去離子水沖洗，烘干備用；步驟3 采用超高真空多功能磁控濺射鍍膜設備，將步驟1制備的Si靶材置于鍍膜室內的射頻濺射陰極上，作為濺射靶材，將步驟2所得的石墨基體材料安裝于進樣室內的基片架上。步驟4 對鍍膜室和樣品室抽真空至本底真空小于等于后，向其中通入純度為99. 99%的高純Ar氣。Ar氣由氣體流量計控制裝置引入真空鍍膜室，壓強控制在2 5Pa，調節(jié)石墨基體與靶材之間的間距為90mm，在濺射功率為100 400W下濺射10 25min 后取出基體試樣，即在石墨材料表面制得Si涂層。步驟5 將步驟4制得Si涂層的石墨基體，裝入真空管式爐中進行真空熱處理，控制處理溫度為1100 1400°C，熱處理時間為30 60min，冷卻后取出試樣，即得石墨材料表面抗氧化SiC涂層。下面，請參閱圖1所示，是由本發(fā)明方法制備的抗氧化SiC涂層的XRD圖譜。由圖可以看出本發(fā)明制得的抗氧化涂層為SiC晶相。請參閱圖2所示，是本發(fā)明制備的石墨材料表面抗氧化SiC涂層的SEM形貌。由圖可以看出本發(fā)明抗氧化SiC涂層具有良好的致密性和均勻性，無裂紋。以上所述僅為本發(fā)明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領域普通技術人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種在石墨材料表面制備抗氧化SiC涂層的方法，其特征在于包括以下步驟 步驟1 硅靶材的制備稱取純度為99. 9%的硅粉400g，加入重量濃度為30 45%的粘結劑50ml混合均勻，造粒后壓制成型，最后烘干制得硅靶材；步驟2 將石墨材料打磨、拋光后，置于無水乙醇中超聲清洗，最后用去離子水沖洗，烘干備用；步驟3 采用磁控濺射鍍膜設備，將步驟1制備的硅靶材置于鍍膜室內的射頻濺射陰極上，作為濺射靶材，將步驟2所得的石墨基體材料安裝于進樣室內的基片架上；步驟4:對鍍膜室和樣品室抽真空至真空度小于等于10-4 后，向其中通入純度為 99. 99%的高純氬氣，壓強控制在2 5Pa，調節(jié)石墨基體與靶材之間的間距為90mm，在濺射功率為100 400W下濺射10 25min后取出基體試樣，即在石墨材料表面制得Si涂層； 步驟5 將步驟4制得具有Si涂層的石墨基體，裝入真空管式爐中進行真空熱處理，冷卻后取出試樣，即得石墨材料表面抗氧化SiC涂層。
2.如權利要求1所述的在石墨材料表面制備抗氧化SiC涂層的方法，其特征在于所述步驟2中所述石墨材料用S^2砂紙進行打磨、拋光。
3.如權利要求1所述的在石墨材料表面制備抗氧化SiC涂層的方法，其特征在于所述步驟1中的粘合劑為聚乙烯醇。
4.如權利要求1所述的在石墨材料表面制備抗氧化SiC涂層的方法，其特征在于所述步驟1中壓制成型的壓力控制在15 30kN。
5.如權利要求1所述的在石墨材料表面制備抗氧化SiC涂層的方法，其特征在于所述步驟5的真空熱處理的溫度為1100 1400°C，熱處理時間為30 60min。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在石墨基體材料表面制備抗氧化SiC涂層的方法，采用超高真空多功能磁控濺射鍍膜設備，選用純度為99.9％的硅粉制備Si靶材，體積分數為99.99％的高純氬氣為濺射氣體，經射頻磁控濺射在石墨材料表面制備Si涂層，然后經過真空熱處理得到抗氧化SiC涂層。該制備方法所得抗氧化SiC涂層的致密性和均勻性好，具有抗熱沖擊性和良好的高溫抗氧化性能；通過調整磁控濺射工藝參數、真空熱處理溫度及時間，可以方便控制抗氧化SiC涂層厚度；且該制備工藝可實現(xiàn)規(guī)?；苽涫鵖iC抗氧化涂層，工藝過程相對簡單，重復性好。
文檔編號C23C14/06GK102373417SQ20111035064
公開日2012年3月14日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權日2011年11月8日
發(fā)明者盧靖, 吳建鵬, 曹麗云, 李翠艷, 費杰, 黃劍鋒 申請人:陜西科技大學