一种碳基体的涂层及其制备方法与应用与流程

1850℃，所述第二涂层晶粒长大，填补气体挥发产生的缝隙。
18.基于所述制备方法，本发明还提出一种碳基体的涂层，至少包括：
19.第一涂层，涂敷于所述碳基体的表面，且所述第一涂层为水凝胶和有机硅烷的混合物；以及
20.第二涂层，涂敷于所述第一涂层上，且与所述第一涂层形成复合涂层，所述第二涂层包括有机钽溶液。
21.本发明还提出一种坩埚，所述坩埚表面设置有所述碳基体的涂层。
22.本发明提出一种碳基体的涂层及其制备方法与应用，能有效改善碳化硅晶体生长过程中原料对石墨坩埚的腐蚀，采用复合涂层有效改善因碳化钽和碳基体膨胀系数差异过大引起的热失配问题，防止使用过程中涂层剥落，提高涂层附着性。
附图说明
23.图1是本发明的流程示意图。
24.图2是本发明的结构示意图。
25.附图标记说明：
26.100-碳基体；200-第一涂层；300-第二涂层。
具体实施方式
27.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
28.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
29.下面结合若干实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.石墨坩埚以天然鳞片石墨为主体原料，以可塑性耐火粘土或炭质为粘结剂加工而成，具有耐高温、导热性能强、抗腐蚀性能好，使用寿命长等特点。在高温使用过程中，热膨胀系数小，对急冷、急热具有一定抗应变性能。对酸性、碱性溶液抗蚀性较强，具有优良的化学稳定性，在熔炼过程中不参与任何化学反应。在碳化硅晶体生长领域，由石墨制成的坩埚和其他支撑件在制备碳化硅晶体过程中发挥着重要的作用。但由于高温下原料对坩埚壁的腐蚀作用，使得石墨坩埚无法直接用于晶体生长。而石墨表面覆盖碳化钽涂层，则可以避免石墨坩埚受到腐蚀。请参阅图1所示，本发明提出一种碳基体的涂层的制备方法，包括但不限于以下步骤s1-s4。
31.s1、将水凝胶和有机硅烷混合，形成混合物。
32.s2、将所述混合物涂敷于碳基体100的表面，形成第一涂层200。
33.s3、将有机钽溶液涂敷于所述第一涂层200上，形成第二涂层300，且所述第二涂层300与所述第一涂层200形成复合涂层。
34.s4、将所述复合涂层加热并退火处理，形成所述碳基体的涂层。
35.请参阅图1-2所示，在本发明的一实施例中，碳基体100例如为石墨基体。进一步地，为保证碳基体与涂层之间更好的结合力和反应力，可预先去除碳基体100表面杂质。在本发明一实施例中，例如可以采用砂纸对石墨基体进行粗化处理，再放入超声设备中进行超声清洗，随后放置在烘箱中进行干燥。在本发明一实施例中，超声清洗步骤中超声清洗液为有机溶液。更进一步地，清洗液例如为乙醇、丙酮、乙腈或乙酸乙酯，超声时间例如为30-90min，进一步地，超声时间例如为60min。在本发明一实施例中，烘箱中进行干燥的步骤中，干燥温度例如为80-100℃，进一步地，干燥温度例如为80℃，干燥时间例如为8-10h。
36.请参阅图1-2所示，在步骤s1中，水凝胶与有机硅烷混合，形成以有机硅烷为中间结合物，以凝胶体围绕有机硅烷四周排列的粘稠态琥珀体混合物。在本发明的一些实施例中，水凝胶例如为石墨烯水凝胶、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚n-聚代丙烯酰胺或壳聚糖。在本发明的一些实施例中，有机硅烷例如为聚硅烷、聚硅氧烷、聚碳硅烷中的一种或几种混合物。
37.请参阅图1-2所示，将在本发明的一实施例中，步骤s2中的水凝胶例如为石墨烯基水凝胶。石墨烯基水凝胶由水凝胶与二维的石墨烯纳米片结合而成，石墨烯基水凝胶具有较大的比表面积及多孔的结构特点，且石墨烯基水凝胶与碳基体材料相近，不会引入其它杂质，保证了碳基体涂层的纯度。且在本实施例中，有机硅溶液例如为聚硅烷。将聚硅烷与石墨烯基水凝胶混合，形成以水凝胶为主体，聚硅烷为交联剂的三维排列堆积结构，作为第一涂层200。在本发明的另一实施例中，水凝胶例如为聚丙烯酸水凝胶，有机硅烷例如为液态聚碳硅烷，将两者混合均匀，形成以聚丙烯酸水凝胶为主体，聚碳硅烷为凝胶间胶粘剂的三维多层结构混合物，以其作为第一涂层200。在其他实施例中，第一涂层200可以为其他任意水凝胶与有机硅烷的混合物。
38.请参阅图1-2所示，在本发明的一些实施例中，步骤s3中的有机钽溶液例如为钽醇盐，更进一步地，例如为乙醇钽、五甲基氧基钽、异丙醇钽、丁醇钽或戊醇钽。在本发明一实施例中，有机钽溶液例如为丙醇钽，且第一涂层100为石墨烯基水凝胶和聚硅烷的混合物时，石墨烯水凝胶外层对丙醇钽溶液进行吸收，随着温度逐渐升高，丙醇钽溶液在多层水凝胶的不同吸收作用下向碳基体一侧渗透并与聚硅烷接触。且随着温度不断提高，聚硅烷中的硅氢键与碳基体和丙醇钽反应，形成c-si-c的交联结构。c-si-c的交联结构具有结合紧密的优点，可显著提高碳化钽(tac)涂层与碳基体的结合。在本发明的另一实施例中，有机钽溶液例如为乙醇钽，且第一涂层100例如为聚丙烯酸水凝胶和液态聚碳硅烷的混合物时，随着温度升高，乙醇钽在多层水凝胶不同吸附下，向碳基体一侧渗透，温度升至1150℃，聚碳硅烷中的活性si-h键与乙醇钽反应，形成si-c-ta，随着温度继续升高，气相si与碳基体反应，形成c-si化学键，最终形成c-si-c-ta的过渡结合键，从而达到在碳基体表面形成碳化钽(tac)涂层的目的。
39.请参阅图1-2所示，在本发明的一实施例中，在步骤s4中，升温加热步骤包括将涂敷有复合涂层的碳基体放入炉腔内，抽真空后充入保护气体，并进行阶段式升温加热处理。
且在本实施例中，保护气体例如为氩气(ar)，保护气体流量例如为450-550mbar。在其他实施例中，保护气体还例如为氮气(n2)。
40.请参阅图1-2所示，在本发明一实施例中，阶段式升温加热步骤例如包括多个升温加热阶段，具体例如包括五个升温加热阶段。在第一升温加热阶段，升温速率例如为1-2℃/min，例如加热升温至280-320℃，进一步地，加热温度例如为300℃，保温时间例如为2.5-3.5h。在第一升温加热阶段中，水凝胶及有机硅烷高分子充分裂解挥发。在第二升温加热阶段，升温速率例如为2-3℃/min，例如加热升温至880-920℃，进一步地，加热温度例如为900℃，保温时间例如为1.5-2.5h。在第二升温加热阶段中，复合涂层完全分解发泡。在第三升温加热阶段，升温速率例如为1-3℃/min，例如加热升温至1100-1300℃，进一步地，加热温度例如为1200℃，反应时间例如为7-9h。在第三升温加热阶段中，si-c键生成，形成β-sic。在第四升温加热阶段，升温速率例如为1-3℃/min，例如加热升温至1750-1850℃，进一步地，加热温度例如为1800℃，保温时间例如为7-9h。在第四升温加热阶段，表层涂层晶粒长大，填补气体挥发导致的缝隙。在第五升温加热阶段，升温速率例如为1-3℃/min，例如加热升温至2300-2500℃，进一步地，加热温度例如为2400℃，保温时间例如为9-11h。在第五升温加热阶段中，充分形成耐热的碳化钽涂层。
41.请参阅图1-2所示，在阶段式升温加热步骤中，随着温度升高，有机水凝胶吸附更多有机钽溶液向靠近碳基体的一侧渗透，有机硅烷分别与碳基体和有机钽中的碳元素反应形成si-c化合键，随反应程度的不断加深，最终在碳基体表面形成c-si-c-ta的化学键。由于c/c复合材料和石墨的热膨胀系数都非常低，分别为1.0
×
10-6
和2.1～2.6
×
10-6
/k，而tac的热膨胀系数为6.3
×
10-6
/k，涂层与基体之间的热膨胀系数差值过大，因此，在制备和应用过程中进行高低温转换之后，普通的物理吸附涂层会因热应力的产生而出现裂纹。相比于物理吸附涂层，本发明提出的碳基体的涂层具有极强的附着力，作为过渡连接层减小了物质间热膨胀系数差异，极大程度避免高温下碳化钽涂层与碳基体之间的热失配、涂层脱落剥离问题。
42.请参阅图1-2所示，在本发明的一实施例中，在步骤s4中，退火步骤例如为阶段式降温退火步骤，可防止快速冷却导致涂层产生裂纹，且退火步骤包括例如四个降温退火阶段。在第一降温退火阶段，降温速率例如为1-2℃/min，例如降温至1750-1850℃，进一步地，退火温度例如为1800℃，保温时间例如为1.5-2.5h，可使复合涂层稳定再结晶。在第二降温退火阶段，降温速率例如为1-2℃/min，例如降温至1100-1300℃，进一步地，退火温度例如为1200℃，保温时间例如为1.5-2.5h，达到中温释放热应力的目的，防止涂层产生裂纹。在第三降温退火阶段，降温速率例如为1-2℃/min，例如降温至750-850℃，进一步地，退火温度例如为800℃，保温时间例如为1.5-2.5h，达到低温释放热应力的目的。在第四降温退火阶段，复合涂层随反应炉自然冷却至室温。
43.综上所述，本发明提出了一种碳基体的涂层及其制备方法与应用，能有效改善碳化硅晶体生长过程中原料对石墨坩埚的腐蚀。采用复合涂层有效改善因碳化钽和碳基体膨胀系数差异过大引起的热失配问题，防止使用过程中涂层脱落剥离，提高了涂层的附着性。该方法具有操作方便、成本低的优势，具有重要的应用价值。
44.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术
方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
45.除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。