一种TaC陶瓷先驱体、TaC陶瓷及制备方法与流程

本发明属于碳化物陶瓷制备，具体是涉及一种tac陶瓷先驱体、tac陶瓷及制备方法。

背景技术：

1、碳化钽(tac)是一种具有高强度、高硬度和良好物理化学稳定性的结构材料，其熔点高达3880℃，是目前已知耐温最高的几种化合物之一。因此，tac在超高温材料领域具有广泛的应用前景。在半导体领域，第三代半导体材料如sic、gan，其单晶衬底制备工艺温度高达2000～2500℃，而tac被认为是第三代半导体单晶衬底生长所需石墨件的理想涂层材料。

2、目前多采用化学气相沉积法制备tac涂层，但该方法具有较高的技术难度，工艺控制复杂，制备成本高，极大地限制了tac涂层的应用和发展。先驱体转化法是利用有机先驱体聚合物裂解制备陶瓷材料的新方法，该方法工艺过程简单、生产成本低，其工艺过程一般是先采用化学合成的方法获得可经裂解转化为陶瓷材料的有机聚合物，然后在一定温度条件下裂解获得传统工艺难以制得的陶瓷材料。

3、现有技术通常采用物理方式将碳源化合物和钽源化合物进行混合获得先驱体，两者间未经化学反应生成稳定的有机化合物，导致最终裂解产物存在大量杂质，材料性能较差；或经化学合成获得了含碳、钽元素的先驱体，但先驱体溶液稳定性较差，无法长时间保存，同时所需裂解温度较高，通常在1600℃以上。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是提供一种tac陶瓷先驱体、tac陶瓷及制备方法，所制备的先驱体为含碳、钽元素的稳定有机化合物，可长期保存，制备工艺简单、生产成本低，最终获得的tac陶瓷纯度高。

2、本发明的内容包括一种tac陶瓷先驱体的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将一水合柠檬酸和五氯化钽粉体加入至无水乙醇中，水浴温度为10～20℃，得到第一溶液；

4、s2、将s1得到的第一溶液水浴加热至30～50℃，加入去离子水并不断搅拌，保温20～40min，得到第二溶液；

5、s3、向s2得到的第二溶液中滴加乙二醇，搅拌均匀后静置20～30min，得到第三溶液；

6、s4、将s3得到的第三溶液水浴加热至50～70℃，保温0.5～2h，得到先驱体溶液。

7、更进一步地，原料中，五氯化钽与无水乙醇的质量比为4:(7～10)。

8、更进一步地，原料中，五氯化钽、一水合柠檬酸与乙二醇的质量比为4:(1～2):(1～2)。

9、更进一步地，在s1中，五氯化钽分多次缓慢加入并不断搅拌，单次添加量为无水乙醇质量的1％～5％，添加间隔为2～5min。五氯化钽添加过程会产生大量热量，单次添加量过大会导致溶液温度快速升高，溶液性质不稳定，易生成沉淀，因此添加速率不宜过快，添加过程可在冷水浴下进行。

10、更进一步地，在s2中，去离子水分多次缓慢加入并不断搅拌，直至保温结束，单次添加量为无水乙醇质量的2％～4％，添加间隔为1～3min。

11、作为一个总的发明构思，本技术实现要素：还包括一种tac陶瓷先驱体，通过如上述任一项的tac陶瓷先驱体的制备方法制备得到。

12、作为一个总的发明构思，本发明内容还包括一种tac陶瓷的制备方法，采用如上述任一项的tac陶瓷先驱体的制备方法或tac陶瓷先驱体制备得到，包括以下步骤：

13、t1、将tac陶瓷先驱体置于120～200℃温度下交联固化；

14、t2、将t1交联固化后的tac陶瓷先驱体置1400～1800℃温度下高温处理，得到tac陶瓷。

15、更进一步地，在t1中，交联固化过程中升温速率为0.5～1.5℃/min，保温时间0.5～2h。

16、更进一步地，在t2中，高温处理过程在真空或惰性气体保护下进行，升温速率为4～8℃/min，保温时间为1～2h。

17、升温速率过快，会导致先驱体溶液中挥发份快速挥发，不利于材料制备。

18、作为一个总的发明构思，本发明内容还包括一种tac陶瓷，通过如上述任一项的tac陶瓷的制备方法制备得到。

19、本发明的有益效果：

20、本发明以五氯化钽提供钽源，一水合柠檬酸和乙二醇提供碳源；将一水合柠檬酸和五氯化钽添加至无水乙醇中获得含一水合柠檬酸的钽醇溶液，去离子水滴加过程中，一水合柠檬酸与金属醇化物缓慢反应形成配位中间体；在后续加热过程，配位中间体进一步反应形成稳定的螯环立体配位结构；交联固化过程中，形成的螯环立体配位结构与乙二醇间发生酯化反应形成大分子凝胶，此时ta离子在体系中均匀分散且难以发生迁移；在后续裂解过程经碳热还原反应生成碳化钽，在该过程中，由于钽、碳元素分布均匀，碳热还原反应更加充分，所需工艺温度更低，最终生成物纯度更高。

21、相较于化学气相沉积工艺制备tac陶瓷，本发明所提供的方法制备工艺简单、成本低；本发明所提供的tac先驱体溶液性质稳定，可长时间室温保存；经1400℃高温裂解后即可得到tac陶瓷，裂解温度低；所得tac陶瓷纯度高，进行xrd测试，无其它物质衍射峰。采用本发明所述tac先驱体成功在石墨表面制备tac涂层，也可引入多孔c/c材料内部生成tac高温基体。

技术特征：

1.一种tac陶瓷先驱体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的tac陶瓷先驱体的制备方法，其特征在于，原料中，五氯化钽与无水乙醇的质量比为4:(7～10)。

3.如权利要求1所述的tac陶瓷先驱体的制备方法，其特征在于，原料中，五氯化钽、一水合柠檬酸与乙二醇的质量比为4:(1～2):(1～2)。

4.如权利要求1所述的tac陶瓷先驱体的制备方法，其特征在于，在s1中，五氯化钽分多次缓慢加入并不断搅拌，单次添加量为无水乙醇质量的1％～5％，添加间隔为2～5min。

5.如权利要求1所述的tac陶瓷先驱体的制备方法，其特征在于，在s2中，去离子水分多次缓慢加入并不断搅拌，直至保温结束，单次添加量为无水乙醇质量的2％～4％，添加间隔为1～3min。

6.一种tac陶瓷先驱体，其特征在于，通过如权利要求1至5中任一项所述的tac陶瓷先驱体的制备方法制备得到。

7.一种tac陶瓷的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1至5中任一项所述的tac陶瓷先驱体的制备方法或如权利要求6所述的tac陶瓷先驱体制备得到，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的tac陶瓷的制备方法，其特征在于，在t1中，所述交联固化过程中升温速率为0.5～1.5℃/min，保温时间0.5～2h。

9.如权利要求7所述的tac陶瓷的制备方法，其特征在于，在t2中，所述高温处理过程在真空或惰性气体保护下进行，升温速率为4～8℃/min，保温时间为1～2h。

10.一种tac陶瓷，其特征在于，通过如权利要求7至9中任一项所述的tac陶瓷的制备方法制备得到。

技术总结本发明属于碳化物陶瓷制备技术领域，公开了一种TaC陶瓷先驱体、TaC陶瓷及制备方法。制备TaC陶瓷先驱体包括以下步骤：S1、将一水合柠檬酸和五氯化钽粉体加入至无水乙醇中，水浴温度为10～20℃，得到第一溶液；S2、将S1得到的所述第一溶液水浴加热至30～50℃，加入去离子水并不断搅拌，保温20～40min，得到第二溶液；S3、向S2得到的所述第二溶液中滴加乙二醇，搅拌均匀后静置20～30min，得到第三溶液；S4、将S3得到的所述第三溶液水浴加热至50～70℃，保温0.5～2h，得到先驱体溶液。本发明制备的先驱体为含碳、钽元素的稳定有机化合物，可长期保存，制备工艺简单、生产成本低，最终获得的TaC陶瓷纯度高。技术研发人员：尹宜辉,邓雄志,刘超,王建伟,王振兴受保护的技术使用者：湖南九山半导体科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/27