一種多孔碳化硅涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳化硅材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種多孔碳化硅涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]具有半導(dǎo)體特性的碳化硅材料由于其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，且耐腐蝕，抗氧化，熱導(dǎo)率高，作為高溫結(jié)構(gòu)部件和新型子元器件廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、能源、電子等領(lǐng)域。
[0003]不同于致密碳化硅材料，多孔碳化硅材料由于其結(jié)構(gòu)特性，是優(yōu)良的高溫陶瓷過濾材料，可以用于高溫氣體凈化，尾氣處理，熱交換及催化載體等領(lǐng)域。目前多孔碳化硅材料的制備方法主要有添加發(fā)泡工藝，有機(jī)前驅(qū)體浸滲法，生物模板法，溶膠一凝膠法等。這些方法主要應(yīng)用于塊體碳化硅陶瓷材料的制備，所制備的材料在厘米以上的宏觀尺度范圍。
[0004]隨著材料研究的深入和應(yīng)用領(lǐng)域拓展，納米尺度或介觀尺度的材料研究成為新的熱點(diǎn)。沉積在特定基體上多孔的薄膜或者涂層材料在兼具復(fù)合材料特性的同時(shí)，其表面的多孔結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)新的功能，并有望實(shí)現(xiàn)功能間的耦合。目前，多孔碳化硅涂層材料的制備主要采用電化學(xué)的方法對(duì)在平面基底上沉積的碳化硅涂層進(jìn)行刻蝕，該方法得到的多孔材料大都為貫穿通孔，材料的孔隙率低。尋找工藝簡(jiǎn)單的替代方法，提高碳化硅涂層的孔隙率以及實(shí)現(xiàn)對(duì)異型的曲面及特定形狀塊體材料的整體涂覆是目前亟需解決的問題。
[0005]有鑒于此，特提出本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種能夠在平面、曲面或球形顆?；撞牧仙匣驂K狀基底材料上制備的多孔碳化硅涂層及其制備方法。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種多孔碳化硅涂層，是基于化學(xué)氣相沉積法制備而成，首先將所述多孔碳化硅涂層的前驅(qū)體原料在保護(hù)氣氛下進(jìn)行熱解反應(yīng)，沉積后得到碳化硅和碳的混合涂層；再將所述混合涂層進(jìn)行氧化除碳處理，得到多孔碳化硅涂層；所述反應(yīng)體系中氫氣的體積分?jǐn)?shù)< 30%;優(yōu)選地，所述反應(yīng)體系中氫氣的體積分?jǐn)?shù)< 20%，更優(yōu)選< 10% ;最優(yōu)選為O。
[0008]也就是說(shuō)，本發(fā)明的核心思想是將多孔碳化硅涂層的前驅(qū)體原料在保護(hù)氣氛下進(jìn)行熱解反應(yīng)，得到碳化硅和碳的混合涂層；再將所述混合涂層進(jìn)行氧化除碳處理，得到多孔碳化硅涂層。
[0009]為得到所述碳化硅和碳的混合涂層，本發(fā)明經(jīng)過探索發(fā)現(xiàn)需要控制所述熱解反應(yīng)時(shí)氫氣在所述反應(yīng)體系中的體積分?jǐn)?shù)(即體積比例)；一般情況下，氫氣體積分?jǐn)?shù)越小，所述碳化硅和碳的混合涂層中的碳含量越高，最終制備的多孔碳化硅涂層的密度越小，孔越多。
[0010]—般地，所述反應(yīng)體系中氫氣的體積分?jǐn)?shù)< 30% ;優(yōu)選地，所述反應(yīng)體系中氫氣的體積分?jǐn)?shù)< 20% ;以< 10%為較佳；以O(shè)為最佳。
[0011]優(yōu)選地，所述保護(hù)氣氛為氬氣、氦氣等惰性氣體以及氮?dú)狻錃獾戎械囊环N或幾種混合。
[0012]可以理解，當(dāng)所述保護(hù)氣氛含有氫氣時(shí)，必定還含有一種或幾種上述其他保護(hù)氣氛氣體。
[0013]優(yōu)選地，本發(fā)明所述多孔碳化硅涂層的前驅(qū)體原料為低沸點(diǎn)的氯化硅烷或者多甲基硅烷中的一種或幾種；優(yōu)選為甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、三甲基一氯硅烷、甲基硅烷、六甲基二硅烷中的一種或幾種。
[0014]本發(fā)明所述多孔碳化硅涂層的前驅(qū)體原料通過加熱氣化，與根據(jù)需要所使用的載帶氣體一起導(dǎo)入至沉積反應(yīng)器。
[0015]所述氣體輸送法中的所述載帶氣體可為氬氣、氦氣等惰性氣體以及氮?dú)?、氫氣等中的一種或幾種混合。所述載帶氣體流量可以根據(jù)需要而選擇。例如在本發(fā)明具體應(yīng)用實(shí)例中選擇載帶氣體流量0.1?1.0L/min ;優(yōu)選0.3?0.6L/min。
[0016]所述氣體輸送法中的所述加熱可以選擇電加熱或水浴加熱。本發(fā)明所述多孔碳化硅涂層可以在平面、曲面或球形顆?；撞牧仙匣驂K狀基底材料上制備得到。例如所述基底材料可為球形陶瓷顆粒、硅片、氧化鋁基板或氮化鋁基板等。
[0017]本發(fā)明所制備的多孔碳化娃涂層厚度優(yōu)選為10nm?1_，孔隙率優(yōu)選為10%?80% ;所述涂層與所述基體材料結(jié)合緊密。
[0018]進(jìn)一步，本發(fā)明還包括含有上述多孔碳化硅涂層的陶瓷材料。
[0019]本發(fā)明另一方面，本發(fā)明還包括上述多孔碳化硅涂層及含有上述多孔碳化硅涂層的陶瓷材料在尾氣處理及催化載體中的用途。
[0020]本發(fā)明所制備的多孔碳化硅涂層可以沉積在特定基體上，和普通多孔碳化材料相比，該涂層可以和基體材料組合，兼具復(fù)合材料特性，并有望實(shí)現(xiàn)功能間的耦合。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異型的曲面及特定形狀塊體材料的整體涂覆，拓展了多孔碳化硅涂層的應(yīng)用范圍。
[0021]本發(fā)明再一方面，提供一種上述多孔碳化硅涂層的制備方法，其基于化學(xué)氣相沉積法，首先將多孔碳化硅涂層的前驅(qū)體原料在保護(hù)氣氛下進(jìn)行熱解反應(yīng)，沉積后得到碳化硅和碳的混合涂層；再將所述混合涂層進(jìn)行氧化除碳處理，得到多孔碳化硅涂層。
[0022]為了實(shí)現(xiàn)該目的，需要控制所述反應(yīng)體系中氫氣的體積分?jǐn)?shù)< 30% ;優(yōu)選地，所述反應(yīng)體系中氫氣的體積分?jǐn)?shù)< 20% ;以< 10%為較佳；以O(shè)為最佳。
[0023]—般地，所述熱解反應(yīng)溫度由所述多孔碳化硅涂層的前驅(qū)體原料的性質(zhì)決定。一般地，所述熱解反應(yīng)溫度越高多孔碳化硅涂層密度越小，孔隙率越大。在本發(fā)明的具體實(shí)施例中優(yōu)選的溫度范圍為1200°C?1600°C ;進(jìn)一步優(yōu)選為1400°C?1500°C。
[0024]—般地，本發(fā)明所述多孔碳化硅涂層的厚度主要是由所述熱解反應(yīng)時(shí)間決定的；在本發(fā)明的具體實(shí)施例中優(yōu)選的熱解反應(yīng)時(shí)間為1min?4h ;進(jìn)一步優(yōu)選為30min?lh。
[0025]將所述混合涂層進(jìn)行氧化除碳處理的目的是去除多余的碳而得到純凈的碳化硅涂層；同時(shí)，進(jìn)行氧化除碳處理還有利于進(jìn)一步使得碳化硅涂層形成多孔狀態(tài)。優(yōu)選地，所述氧化除碳處理溫度為500?700°C，時(shí)間為2?Sh ;更優(yōu)選所述氧化除碳處理溫度為600?650°C，時(shí)間為2?4h ;所述氧化除碳處理可在空氣或氧氣中進(jìn)行。
[0026]具體地說(shuō)，一種多孔碳化硅涂層的制備方法，基于化學(xué)氣相沉積法，包括如下步驟:
[0027]I)將沉積基底材料置于反應(yīng)器，通入流化氣體；
[0028]2)將所述多孔碳化硅涂層的前驅(qū)體原料蒸汽通過載帶氣體進(jìn)入所述反應(yīng)器進(jìn)行熱解反應(yīng)，沉積后得到碳化硅和碳的混合涂層；所述流化氣體和載帶氣體共同作為保護(hù)氣氛;
[0029]3)將制備的所述混合涂層進(jìn)行氧化除碳處理，得到多孔碳化硅涂層。
[0030]進(jìn)一步地，所述沉積基底材料形狀可為平面、曲面或球形顆?；撞牧匣驂K狀基底材料。例如所述沉積基底材料可為球形陶瓷顆粒、硅片、氧化鋁基板或氮化鋁基板等。
[0031]進(jìn)一步地，所述反應(yīng)器為適于化學(xué)氣相沉積法所用反應(yīng)器；可為固定床化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器(以下簡(jiǎn)稱固定床)或流化床化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器(以下簡(jiǎn)稱流化床)。
[0032]進(jìn)一步地，所述多孔碳化硅涂層的前驅(qū)體原料為甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、三甲基一氯硅烷、甲基硅烷、六甲基二硅烷中的一種或幾種；所述多孔碳化硅涂層的前驅(qū)體原料蒸汽采用電加熱或恒溫水浴的方式產(chǎn)生。
[0033]進(jìn)一步地，所述反應(yīng)體系中氫氣的體積分?jǐn)?shù)< 30% ;優(yōu)選地，所述反應(yīng)體系中氫氣的體積分?jǐn)?shù)< 20% ;以< 10%為較佳；以O(shè)為最佳。
[0034]進(jìn)一步地，所述流化氣體為氬氣、氮?dú)?、氦氣等中的一種或幾種。所述流化氣體流量可以根據(jù)需要而選擇。例如在本發(fā)明具體應(yīng)用實(shí)例中選擇流化氣體流量2?6L/min ;優(yōu)選 2 ?4L/min。
[0035]進(jìn)一步地，所述載帶氣體為氬氣、氦氣、氮?dú)?、氫氣等中的一種或幾種混合。所述載帶氣體流量可以根據(jù)需要而選擇。例如在本發(fā)明一種具體應(yīng)用實(shí)例中選擇載帶氣體流量0.1 ?1.0L/min ;優(yōu)選 0.3 ?0.6L/min。
[0036]進(jìn)一步地，所述熱解反應(yīng)溫度為1200°C?1600°C，優(yōu)選為1400°C?1500°C。
[0037]進(jìn)一步地，所述熱解反應(yīng)時(shí)間為1min?4h ;優(yōu)選為I?1.0h。
[0038]進(jìn)一步地，所述氧化除碳處理溫度為500?700°C，時(shí)間為2?Sh ;所述氧化除碳處理可在空氣或氧氣中進(jìn)行。
[0039]更具體地，一種多孔碳化硅涂層的制備方法，包括如下步驟:
[0040]I)將沉積基底材料置于反應(yīng)器，通入流化氣體；
[0041]所述基底材