均匀化氮化硼涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种化学气相沉积技术制备均匀化氮化硼涂层的方法，尤其涉及一种纤维、纤维编织件及复合材料中氮化硼界面的制备。
【背景技术】
[0002]氮化硼界面可以通过在复合材料制备过程中原位生成，也可以在纤维表面首先制备出界面，再将带有氮化硼界面的纤维作为增强纤维应用到复合材料中，采用何种方法制取，这取决于生产工艺条件的控制及生产设备的局限性。目前，制备BN界面的方法有很多种，主要包括液相法(也称为浸渍-涂覆法)、化学气相沉积法和碳热还原法。在众多制备方法中，尤以CVD法所制得的界面性能更为优异且稳定。CVD法对设备的要求高，影响界面性能的工艺参数较多，但所得的涂层的质量往往较高，是制备高质量界面材料的首选。
[0003]采用CVD法制备氮化硼涂层中，主要采用BX3+NH3双组元系统，其中应用最多的为BC13+NH3系统，但是，与单组元系统相比，由于沉积系统处于高温低压状态下，源气体反应剧烈，气体混合不均，导致不同位置气体浓度不同，沉积速率不同，继而造成沉积基底表面的涂层厚度、涂层晶粒大小及涂层结晶度不同，不利于基底表面生成厚度均匀、成分单一、结晶度较高的氮化硼涂层。相关文献及专利中指出，化学气相法制备氮化硼涂层过程中，均采用直接在恒温区沉积的方法，双组元气体在沉积区相遇并发生化学反应，继而在基底表面沉积氮化硼涂层，对所得涂层进行表征，发现沉积不均现象。此专利中指出，通过先混合再沉积的方法，可以有效地解决这一问题，获得相对稳定、均匀的氮化硼涂层。
[0004]
【发明内容】
:
本发明的目的是提供一种双组元气体化学气相沉积法制备氮化硼涂层的方法，用于解决现有技术的缺陷和不足，提供一种制备均匀涂层的方法，尤其是一种采用BX3+NH3体系化学气相沉积法制备氮化硼涂层的方法。
[0005]本方法对常用的化学气相沉积法进行了优化，通过先混合再沉积的方法，解决氮化硼涂层不均匀的问题，获得相对均匀、成分单一、结晶性能良好的氮化硼涂层。本发明所用的技术方案主要包括:气体混合、化学气相沉积和高温热处理。
[0006]具体采用如下技术方案:
一种均匀化氮化硼涂层的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为:
a.将待涂样品放入沉积模具中沉积区内；通入反应气体三氯化硼、氨气；三氯化硼和氨气分别由两个进气口通入，在进入模具之前不发生接触；气体在等温混合区混合均匀；混合均匀后，气体进入沉积区，在沉积温度为300~1800°C，系统压力为l~300mbar下，发生沉积，沉积时间为0.5h~20h，最后在待涂样品表面得到均匀的氮化硼涂层；所述的三氯化硼和氨气的气体流量比为[NH3]/[BC13]=1:1?30 ;
b.沉积反应结束后，对所得氮化硼涂层样品进行高温热处理，热处理温度为1200-2000°C，时间为0.5h~5h，得到六方氮化硼涂层。
[0007]上述的反应气体中还有载气和稀释气体；所述的载气为氮气或氩气中的至少一种，该载气与三氯化硼同一进气口进入混合区，气体流量比为[载气]:[BC13] =1:1-120 ;所述的稀释气体为氢气，气体流量比为[载气]:[BC13]=1:1~100。
[0008]所述的化学气相沉积法制备均匀氮化硼涂层的方法，其中气体的通入方式为BC13和NH3分为两路进入反应模具，BC13和载气一起通入，Η 2可通过任一进气口通入。
[0009]该化学气相沉积制备均匀氮化硼涂层的方法，可用于碳纤维、陶瓷纤维及其编织件表面氮化硼涂层的制备，也可用于复合材料中氮化硼界面的制备，同时也可用于硅片、石墨及Α1203表面氮化硼涂层的制备和其它双组元气体化学气相沉积。
[0010]使用本发明沉积氮化硼涂层，结果显示，通过先混合再沉积的方法，可以制备出厚度均匀、结构单一、结晶性能良好的氮化硼涂层，与以往的制备技术相比，具有以下优点:一方面，更容易控制氮化硼涂层的厚度，使得涂层成分及结构单一稳定；另一方面，在工业化过程中，对大件样品涂覆氮化硼涂层时，可以使不同位置处表面涂层更均匀；最后，对研究沉积动力学提供了一种方法。
【附图说明】
[0011]图1是反应器示意图，主要分为混合区和沉积区。
[0012]图2和图3是实施例1中沉积氮化硼涂层后碳化硅纤维的SEM图。
【具体实施方式】
[0013]实施例1
第一步:装炉，将碳化硅纤维放置于沉积区，混合腔和反应腔同时处于炉管恒温区，抽真空检查系统气密性。
[0014]第二步:排空升温，通入高纯氮气，抽真空，如此循环五次，排除系统中残余空气，按照设定程序升温。
[0015]第三步:进气，升温至设定沉积温度800 °C，维持系统压力20mbar，从进气口 1通入氨气60ml/min，进气口 2通入高纯氮气lOOmlmin和三氯化硼20ml/min。
[0016]第四步:混合沉积，气体进入恒温区，先经混合腔混合，再进入沉积区在碳化硅纤维表面沉积氮化硼2h。
[0017]第五步:热处理，将沉积后的碳化硅纤维在氩气氛围中1300°C热处理lh。
[0018]对实施例1中所得沉积后的碳化硅纤维进行扫描隧道显微镜(SEM)测试，发现纤维表面沉积了一层均匀光滑的氮化硼涂层，且置于沉积区内不同位置的碳化硅纤维沉积氮化硼涂层厚度基本一致，为lum左右。
[0019]实施例2
第一步:装炉，将清洗后的石墨板放置于沉积区，混合腔和反应腔同时处于炉管恒温区，抽真空检查系统气密性。
[0020]第二步:排空升温，通入高纯氮气，抽真空，如此循环五次，排除系统中残余空气，按照设定程序升温。
[0021]第三步:进气，升温至设定沉积温度1300°C，维持系统压力20mbar，从进气口 1通入氨气60ml/min，进气口 2通入高纯氮气lOOmlmin和三氯化硼20ml/min。
[0022]第四步:混合沉积，气体进入恒温区，先经混合腔混合，再进入沉积区在石墨板表面沉积氮化硼5h。
[0023]第五步:热处理，将沉积后的石墨板在氩气氛围中1600°C热处理lh。
[0024]实施例3
第一步:装炉，将针刺碳毡放置于沉积区，混合腔和反应腔同时处于炉管恒温区，抽真空检查系统气密性。
[0025]第二步:排空升温，通入高纯氮气，抽真空，如此循环五次，排除系统中残余空气，按照设定程序升温。
[0026]第三步:进气，升温至设定沉积温度750 °C，维持系统压力20mbar，从进气口 1通入氨气60ml/min和氢气100ml/min，进气口 2通入高纯氮气lOOmlmin和三氟化硼20ml/min。
[0027]第四步:混合沉积，气体进入恒温区，先经混合腔混合，再进入沉积区在针刺毯毡表面沉积氮化硼0.5h。
[0028]第五步:热处理，将沉积后的针刺碳毡在氩气氛围中1400°C热处理2h。
【主权项】
1.一种均匀化氮化硼涂层的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为: a.将待涂样品放入沉积模具中沉积区内；通入反应气体三氯化硼、氨气；三氯化硼和氨气分别由两个进气口通入，在进入模具之前不发生接触；气体在等温混合区混合均匀；混合均匀后，气体进入沉积区，在沉积温度为300~1800°C，系统压力为l~300mbar下，发生沉积，沉积时间为0.5h~20h，最后在待涂样品表面得到均匀的氮化硼涂层；所述的三氯化硼和氨气的气体流量比为[NH3]/[BC13]=1:1?30 ; b.沉积反应结束后，对所得氮化硼涂层样品进行高温热处理，热处理温度为1200-2000°C，时间为0.5h~5h，得到六方氮化硼涂层。2.根据权利要求1所述的均匀化氮化硼涂层的制备方法，其特征在于所述的反应气体中还有载气和稀释气体；所述的载气为氮气或氩气中的至少一种，该载气与三氯化硼同一进气口进入混合区，气体流量比为[载气]:[BC13] =1:1-120 ;所述的稀释气体为氢气，气体流量比为[载气]:[BC13]=1:1~100。
【专利摘要】本发明涉及一种均匀化氮化硼涂层的制备方法。给方法以三氯化硼（BCl3）和氨气（NH3）为反应气体，通入反应器中，先在混合区混合均匀，再在沉积反应区发生表面沉积，最后将所得样品进行高温热处理，经扫描隧道显微镜（SEM）、傅立叶红外（FT-IR）和X射线衍射（XRD）检测，制备出厚度均匀、成分单一、结晶度较高的氮化硼涂层。此方法可用于复合材料中氮化硼界面的制备其它样品表面氮化硼涂层的制备，还可用于研究氮化硼气相沉积过程及机理的研究。该方法主要解决的是双组元化学气相沉积氮化硼过程中气体混合不均的问题，以提高氮化硼涂层的均匀度，更好地控制涂层厚度。
【IPC分类】C23C16/34
【公开号】CN105296960
【申请号】CN201510711019
【发明人】李爱军, 李琳琳, 彭雨晴, 白瑞成, 吴彪, 贾林涛, 汤哲鹏
【申请人】上海大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月28日