一种炭材料表面tac保护涂层材料的制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种炭材料表面tac涂层材料的制备方法。
背景技术：2.过渡金属碳化物具有非常优异的物理性质，如超高熔点、超硬，以及非常稳定的化学性质，在真空状态下有极低的蒸气压等，因此在工作于各种极端环境(如超高温环境、酸/碱腐蚀环境)的器件上，有着非常广泛而重要的应用前景。例如，在现阶段，这类材料可应用于生长大尺寸单晶硅棒的坩埚的涂层，也可以应用于sic和gan薄膜生长设备的关键部件。因此，过渡金属碳化物涂层材料的开发具有重要意义。
3.在众多过渡金属碳化物中，碳化钽(tac)具有超高强度(～537gpa)、硬度(～15-19gpa)、熔点(～3880℃)、抗氧化、高温化学稳定等特性，在高温环境下能够耐受氨、酸碱、氢和熔盐等液体或气体的强烈腐蚀，目前是半导体单晶(如si,aln,gan,sic等)生长用石墨坩埚最优的防护涂层材料。事实上，自2016年以来，tac涂层材料受到越来越多的关注。目前，只有美国和日本个别公司能够提供利用化学气相沉积(cvd)方法制备的具有tac涂层的石墨坩埚等产品，工艺复杂、成本较高，关键技术仍然处于封锁状态。
4.中国发明专利申请(公布号cn106298448a)公开了一种碳基体表面tac涂层及其制备方法，该申请公开的方法涉及较为复杂的tac前驱体的合成步骤。因此，简单可靠的tac涂层材料的制备仍有一些需要解决的主要问题。
技术实现要素：5.针对单相tac涂层材料制备技术的现状，本发明提供一种在炭材料表面制备单相tac涂层材料的方法，仅利用粉末材料，通过充分的固相反应获得与衬底具有良好结合性的致密的单相tac保护涂层。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种炭材料表面tac保护涂层材料的制备方法，具体为：将单相的tac粉末和金属ta粉末、石墨粉末按一定比例混合形成混合粉末，添加溶剂、分散剂和增塑剂，通过球磨混合均匀，所得浆料除泡后，涂覆于处理后的炭材料表面上，再进行干燥，最后在保护气的保护下高温煅烧获得单相的tac涂层材料。
8.进一步地，在混合粉末中，金属ta粉末质量是tac粉末质量的1-10％、石墨粉末质量是tac粉末质量的1-10％；溶剂质量是所述混合粉末总质量的30-60％，分散剂质量是所述混合粉末总质量的1-10％，增塑剂质量是所述混合粉末总质量的1-10％。
9.进一步地，所述tac粉末粒径《3μm，所述金属ta粉末粒径《5μm，所述石墨粉末粒径《600nm。
10.进一步地，所述溶剂为无水乙醇、丁酮或者去离子水；所述分散剂为kd-1；所述增塑剂为聚乙烯醇缩丁醛、邻苯二甲酸二丁酯或者聚乙烯醇。
11.进一步地，所述球磨的处理时间为24-48小时。
12.进一步地，对所得浆料在真空状态下通过磁力搅拌器进行除泡处理1小时。
13.进一步地，所述干燥的温度为80-100℃，时间不少于12小时。
14.进一步地，所述高温煅烧的温度为2600-2800℃，时间为2-4小时。
15.进一步地，最终获得单相的tac涂层材料的厚度为5-10μm。
16.本发明的有益效果在于：
17.(1)无需通过化学反应等准备前驱体，购置一定规格的tac和ta、石墨等固体粉末，并与溶剂、分散剂和增塑剂按照一定比例混合均匀，涂覆、高温煅烧后，经充分的固相反应后，因部分炭基材参与反应，可获得单相、相对致密的tac涂层材料。该涂层材料制备方法简便、效率高，期间无复杂工艺、不涉及昂贵的设备，成本低；不涉及复杂的酸碱化学处理。
18.(2)本发明可获得单相且致密的tac涂层材料，为发展新型碳化物涂层材料、复合涂层材料等提供了新思路。
附图说明
19.图1是实施例1制备获得的tac涂层的x射线衍射谱。
20.图2是实施例2制备获得的tac涂层的x射线衍射谱。
21.图3是实施例1制备获得的tac涂层材料的扫描电子显微镜图。
22.图4是实施例2制备获得的tac涂层材料的扫描电子显微镜图。
23.图5是实施例1制备获得的tac涂层材料截面的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
24.本实施例提供一种制备石墨材料表面tac保护涂层材料的方法，包括以下步骤：
25.(1)称量一定比例的单相tac粉末、金属ta粉末、石墨粉末，混合后加入溶剂、分散剂和增塑剂，球磨处理24-48小时；其中，tac粉末粒径《3μm，金属ta粉末(粒径《5μm)质量是tac粉末质量的1-10％、石墨粉末(d50《600nm)质量是tac粉末质量的1-10％；无水乙醇质量是上述三种粉末总质量的30-60％，kd-1质量是上述三种粉末总质量的1-10％，pvb质量是上述三种粉末总质量的1-10％。
26.(2)对球磨获得的浆料在真空状态下通过磁力搅拌器进行除泡处理1小时；
27.(3)将处理后的浆料均匀涂覆于石墨衬底上并放置于干燥箱中干燥处理，温度80-100℃，时间不少于12小时；
28.(4)将所获得的试样在2600-2800℃、ar气氛下高温煅烧2-4小时，最终获得tac保护涂层厚度为5-10μm。
29.实施例1：
30.称量5.0克tac粉末、0.05克ta粉末、0.05克c粉末、1.53克无水乙醇、0.051克kd-1(品牌：禾大，型号：hypermer kd1)、0.051克聚乙烯醇缩丁醛(pvb)，放入球磨罐，然后球磨24小时；将球磨后的浆料进行除泡处理，方法是将浆料倒入烧杯，放入容器，进行磁力搅拌并抽真空1小时；把除泡后的浆料均匀涂刷到研磨处理后的石墨衬底上，放入干燥箱在80℃干燥处理12小时；将干燥处理后的涂层放入高温炉中并通入ar气，在2600℃煅烧2小时，最终涂层厚度为5-10μm。
31.实施例2：
32.称量5.0克tac粉末、0.25克ta粉末、0.25克c粉末、2.75克无水乙醇、0.275克kd-1、0.275克pvb，放入球磨罐，然后球磨48小时；将球磨后的浆料进行除泡处理，方法是将浆料倒入烧杯，放入容器，进行磁力搅拌并抽真空1小时；把除泡后的浆料均匀涂刷到研磨处理后的石墨衬底上，放入干燥箱在100℃干燥处理12小时；将干燥处理后的涂层放入高温炉中并通入ar气，在2800℃煅烧4小时，最终得到涂层厚度为5-10μm。
33.实施例3：
34.称量5.0克tac粉末、0.5克ta粉末、0.5克c粉末、3.6克无水乙醇、0.6克kd-1、0.6克pvb，放入球磨罐，然后球磨48小时；将球磨后的浆料进行除泡处理，方法是将浆料倒入烧杯，放入容器，进行磁力搅拌并抽真空1小时；把除泡后的浆料均匀涂刷到研磨处理后的石墨衬底上，放入干燥箱在100℃干燥处理12小时；将干燥处理后的涂层放入高温炉中并通入ar气，在2800℃煅烧4小时，最终得到涂层厚度为5-10μm。
35.测试结果：
36.图1是上述实施例1制备得到的tac涂层的x射线衍射谱(xrd)，可以看出，所有衍射峰来源于tac，这说明tac涂层具有单相结构。
37.图2是上述实施例3制备得到的tac涂层的x射线衍射谱(xrd)，可以看出，除了来源于衬底石墨(graphite)的衍射峰，其他所有衍射峰都来源于tac，这说明tac涂层具有单相结构。
38.图3是上述实施例1制备得到的tac涂层的扫描电子显微镜图(sem)，可以看出，涂层具有相对致密微结构，且空隙不连通。
39.图4是上述实施例3制备得到的tac涂层的扫描电子显微镜图(sem)，可以看出，涂层具有相对致密微结构，且空隙不连通。
40.图5是上述实施例1制备得到的tac涂层的截面扫描电子显微镜图(sem)，可以看出，tac涂层与石墨衬底界面清晰、连接紧密；涂层厚度为8μm，具有致密微结构，空隙少且不连通。
技术特征：1.一种炭材料表面tac保护涂层材料的制备方法，其特征在于，将单相的tac粉末和金属ta粉末、石墨粉末按一定比例混合形成混合粉末，添加溶剂、分散剂和增塑剂，通过球磨混合均匀，所得浆料除泡后，涂覆于处理后的炭材料表面上，再进行干燥，最后在保护气的保护下高温煅烧获得单相的tac涂层材料。2.根据权利要求1所述的一种炭材料表面tac保护涂层材料的制备方法，其特征在于，在混合粉末中，金属ta粉末质量是tac粉末质量的1-10％、石墨粉末质量是tac粉末质量的1-10％；溶剂质量是所述混合粉末总质量的30-60％，分散剂质量是所述混合粉末总质量的1-10％，增塑剂质量是所述混合粉末总质量的1-10％。3.根据权利要求1所述的一种炭材料表面tac保护涂层材料的制备方法，其特征在于，所述tac粉末粒径<3μm，所述金属ta粉末粒径<5μm，所述石墨粉末粒径<600nm。4.根据权利要求1所述的一种炭材料表面tac保护涂层材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为无水乙醇、丁酮或者去离子水；所述分散剂为kd-1；所述增塑剂为聚乙烯醇缩丁醛、邻苯二甲酸二丁酯或者聚乙烯醇。5.根据权利要求1所述的一种炭材料表面tac保护涂层材料的制备方法，其特征在于，所述球磨的处理时间为24-48小时。6.根据权利要求1所述的一种炭材料表面tac保护涂层材料的制备方法，其特征在于，对所得浆料在真空状态下通过磁力搅拌器进行除泡处理1小时。7.根据权利要求1所述的一种炭材料表面tac保护涂层材料的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为80-100℃，时间不少于12小时。8.根据权利要求1所述的一种炭材料表面tac保护涂层材料的制备方法，其特征在于，所述高温煅烧的温度为2600-2800℃，时间为2-4小时。9.根据权利要求1所述的一种炭材料表面tac保护涂层材料的制备方法，其特征在于，最终获得单相的tac涂层材料的厚度为5-10μm。
技术总结本发明公开了一种炭材料表面TaC保护涂层材料的制备方法。该方法具体为：将单相的TaC粉末和金属Ta粉末、石墨粉末按一定比例混合形成混合粉末，添加溶剂、分散剂和增塑剂，通过球磨混合均匀，所得浆料除泡后，涂覆于处理后的炭材料表面上，再进行干燥，最后在保护气的保护下高温煅烧获得单相的、致密的TaC涂层材料，厚度约5-10μm。本发明的涂层材料制备方法简便、效率高，期间无复杂工艺、不涉及昂贵的设备，成本低，且不涉及复杂的酸碱化学处理。且不涉及复杂的酸碱化学处理。且不涉及复杂的酸碱化学处理。
技术研发人员：顾正彬 张善涛
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2022.06.29
技术公布日：2022/11/1
