[發(fā)明專利]一種制備硼摻雜各向同性熱解炭材料的方法

有效

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• 申請日: 2009-12-31
• 公開（公告）號: CN102115073A
• 公開（公告）日: 2011-07-06
• 發(fā)明（設計）人: 吳峻峰;許力;白朔;成會明;徐紅軍;周序科;羅川;周金玉
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發(fā)明涉及熱解炭材料領域，具體為一種抗氧化性能優(yōu)異的硼摻雜各向同性熱解炭材料的制備方法。

背景技術

由于炭質材料具有自潤滑性好、摩擦系數(shù)低、導熱性好、熱膨脹小、耐腐蝕、耐磨損、耐高溫等優(yōu)異性能，作為結構或功能材料廣泛應用于機械、電子、原子能、生物醫(yī)學等諸多領域。文獻“大尺寸各向同性熱解炭的制備與表征《新型炭材料》21卷2006年第2期，第119～123頁”，公開了一種采用大型穩(wěn)態(tài)流化床、化學氣相沉積工藝制備各向同性熱解炭的方法。采用這種方法制備得到的各向同性熱解炭主要由直徑為300納米～2微米的球形顆粒狀碳結構組成，構成這種球形顆粒狀碳結構的是亂層結構的石墨片層堆積體，是一種結構均勻致密的高性能炭質材料。然而，這種材料和其他炭質材料一樣，在氧化性介質環(huán)境中的使用溫度至多到450℃，這極大地限制了其在更高溫度下的應用。

美國專利(U.S.Pat.No.3,867,191)介紹了一種非晶硼碳合金涂層材料的制備方法。采用這種方法制備得到的非晶硼碳合金涂層材料沒有晶界、沒有尖銳的X射線衍射峰、表面光滑以及很高的彈性模量和硬度等特征，在電子工業(yè)、復合材料等領域中能得到廣泛的應用。但是，這種非晶硼碳合金與各向同性熱解炭材料在結構和性能方面存在著顯著的差異。

發(fā)明內容

為了提高各向同性熱解炭材料的抗氧化性能，本發(fā)明的目的在于提供一種制備硼摻雜各向同性熱解炭材料的方法，解決現(xiàn)有技術中存在的這種非晶硼碳合金與各向同性熱解炭材料在結構和性能方面存在著顯著的差異等問題。

本發(fā)明的技術方案是：

一種制備硼摻雜各向同性熱解炭材料的方法，該方法采用化學氣相共沉積工藝。使用的碳源可以是C1～C5的碳氫化合物或相應的鹵代衍生物(CH_aX_b，a+b＝4，X＝F、Cl、Br或I)。硼源可以是鹵化硼B(yǎng)X₃(X＝F、Cl或Br)或硼烷。稀釋氣體(或載氣)使用氫氣、氬氣或氮氣等。沉積壓力為常壓(略高于1atm，壓力范圍為：1.013×10⁵Pa～1.1×10⁵Pa)，沉積溫度為1100～1400℃，沉積基體為石墨。通過控制氣源比例(碳源與硼源之摩爾比，C/B)和沉積溫度等工藝參數(shù)，在高溫管式沉積爐中，可以制備得到硼摻雜各向同性熱解炭材料。

本發(fā)明中，使用甲烷、三氯化硼和氫氣作為反應氣時，反應按下式進行：

8BCl₃(g)+5CH₄(g)+2H₂(g)→2B₄C(s)+3C(s)+24HCl(g)

本發(fā)明中，利用硅碳棒發(fā)熱體對爐管進行加熱，爐膛升溫速率為20～30℃/分鐘，沉積溫度為1100～1400℃，通過可編程溫度控制器來調節(jié)和控制。通過調整沉積溫度，可以改變制品的密度和微觀結構，得到致密度不同的材料。

本發(fā)明中，氣氛組成對沉積過程也有較大的影響，當C/B處于0.5～2之間時，能制備出具有較高致密度的硼摻雜各向同性熱解炭。在達到設定的反應溫度后，同時通入碳源、硼源和稀釋氣體(或載氣)。碳源占氣體總流量的10～15％，硼源占氣體總流量的9～25％，其余為稀釋氣體(或載氣)。

作為沉積基體的石墨放置于沉積反應器的高溫區(qū)，反應氣體通過高溫區(qū)，進行流動反應和裂解，在基體上沉積生成硼摻雜各向同性熱解炭材料，未反應的和反應產生的氣體進入尾氣處理系統(tǒng)處理，材料制備時間為0.5～10小時。結束后，在氬氣等惰性氣體的保護下，自然冷卻降至室溫。冷卻后，根據(jù)沉積時間和沉積速率的不同，即可得到不同厚度的硼摻雜各向同性熱解炭涂層或塊體材料。

本發(fā)明中，所述硼摻雜各向同性熱解炭材料中的硼摻雜含量為2～10at.％。

本發(fā)明中，所述硼摻雜各向同性熱解炭材料中的熱解炭具有亂層結構。

本發(fā)明中，所述硼摻雜各向同性熱解炭材料中的硼元素主要以碳化硼的形式存在，均勻分布在熱解炭基質中。

本發(fā)明中，所制備的硼摻雜熱解炭材料的起始氧化溫度為928℃。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明制備得到的硼摻雜熱解炭材料結構致密均勻，元素硼能均勻分布在各向同性熱解炭材料內部。

2、本發(fā)明通過控制氣氛中硼源濃度能夠制備不同硼含量的各向同性熱解炭材料，這種硼摻雜各向同性熱解炭材料具有優(yōu)異的抗氧化性能。

附圖說明

圖1為沉積裝置示意圖。

圖2為硼摻雜各向同性熱解炭的正交偏光金相顯微照片。