[發明專利]一種覆有金屬碳化物涂層的碳基材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201510224782.1
• 申請日: 2015-05-05
• 公開（公告）號: CN105439642A
• 公開（公告）日: 2016-03-30
• 發明（設計）人: 俞國軍;孫華;侯娟;劉華劍;謝雷東;周興泰;侯惠奇
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海應用物理研究所
• 主分類號: C04B41/87
• 分類號: C04B41/87
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 鐘華;張佶穎

技術領域

本發明涉及材料表面處理領域，具體涉及一種覆有金屬碳化物涂層的碳基材料及其制備方法。

背景技術

石墨和碳-碳復合等碳基材料具有良好的熱穩定性、抗腐蝕性能、導電導熱性能以及一系列優異的高溫性能(如高比模量、抗熱震性及良好的高溫強度保持率等)，廣泛應用于冶金、航空、航天及民用工業領域。但碳基材料存在一定的缺點如硬度較低，表面耐磨性差，特別是在氧化氣氛下超過一定溫度范圍就會發生明顯氧化，這大大地限制了其實際應用。

目前提高石墨和碳-碳復合等碳基材料抗高溫氧化性能主要通過兩個途徑：一是基體改性，二是表面涂層。基體改性即在碳基材料的制備過程中對其進行改性處理，該方法只在較低溫度(低于1000℃)下有效果。表面涂層是在碳基材料基體上制備涂層，目前常用的涂層制備方法有化學氣相沉積法(CVD)、包埋法、涂刷法和等離子噴涂法等。然而上述涂層法制備的涂層與基體結合差，容易開裂，同時表面涂層的均勻性很難控制，且制備涂層的成本高，反應產物對設備腐蝕嚴重，而且涂層與基體的結合強度不高。因此，有待開發一種以低成本、簡易操作的方式制備覆有均勻涂層、且涂層與基體結合強度高的碳基材料。

發明內容

本發明所解決的技術問題在于克服現有的在碳基材料上制備涂層的工藝成本高、工藝復雜、反應產物對設備腐蝕嚴重，而且涂層的均勻性很難控制、涂層與基體的結合強度不高且涂層容易開裂的缺陷，提供一種覆有金屬碳化物涂層的碳基材料及其制備方法。本發明在碳基材料表面制備的金屬碳化物涂層顯著提高了碳基材料的表面硬度、耐磨性能和抗高溫氧化性能，賦予了碳基材料更好的使用性能和更寬的應用范圍。本發明的制備方法操作簡便，對混料順序等工藝條件無特殊限定，大大簡化了工藝，降低了生產成本。

本發明提供了一種覆有金屬碳化物涂層的碳基材料的制備方法，其包括如下步驟：

將碳基材料與金屬鉻和/或金屬鈦置于氯化物和/或氟化物熔鹽中，然后在無水無氧條件下反應1～100小時，即可得到覆有金屬碳化物涂層的碳基材料；所述金屬碳化物為碳化鉻和/或碳化鈦。

其中，所述的碳基材料為本領域常規使用的碳基材料，所述的碳基材料的形態可為本領域常規使用的各種碳基材料形態，例如塊狀、條狀和/或粉末。所述的碳基材料較佳地為石墨、玻璃碳、金剛石、碳-碳復合材料和納米碳材料中的一種或多種，更佳地為石墨和/或碳-碳復合材料。當所述的碳基材料為石墨時，所述的石墨較佳地經過砂紙打磨預處理，所述的打磨預處理只要使石墨表面達到平整即可。

其中，將所述的碳基材料置于熔鹽中前，所述的碳基材料較佳地經過如下處理：用無水乙醇清洗，然后真空干燥12小時以上，所述真空干燥的溫度為100℃以上。所述真空干燥一般在真空干燥箱中進行，所述真空干燥的溫度較佳地為120℃。

其中，所述金屬鉻和/或金屬鈦的形態可為本領域常規使用的各種金屬形態，例如片狀、棒狀、條狀、碎屑和/或粉末。

其中，將所述的金屬鉻和/或金屬鈦置于熔鹽中前，所述的金屬較佳地經過如下預處理：先用砂紙打磨，以除去表面的氧化膜，然后再用無水乙醇清洗，干燥即可。所述的干燥可采用電吹風吹干。

其中，所述金屬鉻和/或金屬鈦與所述碳基材料的用量比為本領域常規用量比。所述金屬鉻和/或金屬鈦與所述碳基材料在所述氯化物和/或氟化物熔鹽中的表面積之比較佳地為≥1:30，更佳地為1:(10～18)。

其中，所述的氯化物為本領域常規使用的氯化物，較佳地為堿金屬氯化物和/或堿土金屬氯化物，所述的堿金屬氯化物較佳地為氯化鋰(LiCl)、氯化鈉(NaCl)和氯化鉀(KCl)中的一種或多種，所述的堿土金屬氯化物較佳地為氯化鎂(MgCl₂)和/或氯化鈣(CaCl₂)。

其中，所述的氟化物為本領域常規使用的氟化物，較佳地為堿金屬氟化物、堿土金屬氟化物、氟化鋯(ZrF₄)和氟硼酸鈉(NaBF₄)中的一種或多種，所述的堿金屬氟化物較佳地為氟化鋰(LiF)、氟化鈉(NaF)和氟化鉀(KF)中的一種或多種，所述的堿土金屬氟化物較佳地為氟化鎂(MgF₂)和/或氟化鈣(CaF₂)。