[發明專利]真空氣相沉積反應法制備硅化石墨的方法

有效

• 申請號: 201410227363.9
• 申請日: 2014-05-27
• 公開（公告）號: CN103980003A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 彭達鴻
• 申請（專利權）人: 彭達鴻
• 主分類號: C04B41/50
• 分類號: C04B41/50
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 李海華

技術領域

本發明涉及硅化石墨，具體指一種真空氣相沉積反應法制備耐高溫、耐磨損、抗腐蝕性、抗熱沖擊等優異的硅化石墨材料的方法，屬于化工材料技術領域。

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背景技術

硅化石墨（Silicon?Carbide/Graphite?Composite?Material?簡稱SCGC）又稱碳化硅涂層石墨或滲硅石墨。它是以石墨為基體，在其表面或表面深層滲入硅或碳化硅而形成的一種由碳化硅、石墨、游離硅多相組成的新型碳化硅/石墨復合材料。碳化硅層厚約1～3mm，與碳石墨基體結合緊密，同時碳化硅層內也分布有一定數量的石墨。硅化石墨綜合了碳與碳化硅的特點，它不僅具有碳石墨材料的自潤滑性，良好的導電導熱性及抗熱震性，還具有碳化硅的高硬度、抗氧化、耐化學腐蝕等優點，因此，硅化石墨材料越來越廣泛，并且特別適于在重載、高溫或大溫度沖擊等苛刻場合下的應用，已廣泛用于化工、冶金及宇航和核工業領域。

碳在400℃左右與氧氣反應，限制了其應用于高溫領域的潛力。而硅化石墨依靠表面SiC層的保護，抗氧化性能優良，可在1000℃的氧化性氣氛中長期使用。高溫下SiC與氧的反應傾向較大，但是迅速分解的SiC生成致密SiO₂玻璃相阻隔了氧氣與SiC的接觸，因而使得硅化石墨具有良好的抗氧化性和熱穩定性。此外，石墨和碳化硅都屬于共價鍵結合化合物，所以硅化石墨的化學性質非常穩定，除強氧化氣體、熔融堿之外，硅化石墨幾乎耐所有酸堿腐蝕。

硅化石墨材料具有較高的物理機械性能，特別是SiC硬度僅次于金剛石和立方氮化硼及碳化硼，和硬質合金相比硅化石墨的密度小、熱膨脹系數小、硬度高。硅化石墨具有良好的自潤滑性能，自行組對摩擦系數小，如作為機械密封環的炭素材料長期以來都被當作典型的軟質材料而與硬質材料如WC，Al₂O₃陶瓷等對磨，此外碳化硅屬于高硬質材料，硅化石墨可自我配對，其組成的摩擦副還大量用于含固體顆粒介質的密封。用硅化石墨制作機械密封件，可比硬質合金件產生較小的振動、保持較好的耐磨性并易于保證密封性能。

碳與硅均是地球上豐富易得的原材料，硅以SiO₂的形式存在于地殼中，占硅總儲量的1/4，約一百年以前通過電加熱SiO₂和焦炭制得SiC后，大量的SiC粉用于磨料與耐火材料。由于SiC在常壓下沒有熔點，高溫時沒有液相產生，于2700～2800℃分解，SiC顆粒之間無法融并，所以要制造致密的SiC工程材料都有極大的困難。而制造硅化石墨相對較為容易，目前主有三種制造硅化石墨的方法：化學氣相沉積（CVD）法；化學氣相反應法（CVR）和液硅滲透反應法（LSP）。

化學氣相沉積法是使含硅和碳的氣體通過高溫分解在石墨基體表面生成一層SiC沉積物的方法。所采用的氣體為甲基三氯硅烷（CH₃SiCl）和氫氣、四氯化硅加甲苯和氫氣的混合物，或者硅蒸氣加甲苯和氫氣，操作溫度為1175～1775℃。此法生成的SiC層極為致密，厚薄均勻，涂層厚度0.1～0.3mm，但生成的SiC與石墨基體之間的結合力較弱，SiC層在急冷急熱環境易發生龜裂、剝落。

化學氣相反應法是在石墨坩堝內，硅化反應原料為焦炭粉加過量高純石英砂（SiO₂）或無定形硅粉，硅化反應原料與碳塊隔離。2000℃左右，焦炭粉與高純石英砂或無定形硅粉發生反應生成單氧硅（SiO）氣體，SiO逐步滲透進入碳塊氣孔內與碳發生反應生成碳化硅。CVR法SiC層厚度0.5～1.5mm。分析證明，SiC層與碳層沒有明顯界面，結合力遠較CVD法牢固。但是CVR法是采用SiO氣體滲入碳塊氣孔內反應，仍然保留了材料的多孔性，因此用作密封材料時需采用樹脂浸漬填充孔隙后才能使用。

液硅滲透法是在真空條件下，1800℃左右，在石墨坩堝內直接將碳塊浸入液態硅液中，液硅與碳塊完全浸潤，液硅借助于碳塊微孔產生的表面張力逐步滲人碳塊內部發生反應生成碳化硅。采用的硅為純度99.999%的無定形硅粉。碳化硅層厚度最大3.5mm。由于碳整體浸入硅液中，因此硅化石墨中含有2～l7%的游離硅，游離硅的存在降低了硅化石墨的耐腐蝕性能和高溫抗氧化性能，可采用燒堿煮沸，使游離硅生成硅酸鹽而去掉。

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發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種真空氣相沉積反應法制備硅化石墨材料的方法。本方法制備的硅化石墨材料具有耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等綜合性能優異。

本發明的技術方案是這樣實現的：