一种高纯高致密碳陶复合材料的制备方法与流程

本发明涉及一种高纯高致密碳陶复合材料的制备方法，属于碳陶复合材料及光伏、半导体热场用组件的制备领域。

背景技术：

1、当前市场上，用于高温热场工程的材料主要包括石墨、碳碳复合材料(c/c)和碳陶瓷(c/sic或sic/c)等。这些材料由于其具备的一系列优异性质，例如高热稳定性、优良的导电及导热性能，被广泛应用于航空航天、半导体制造、热处理炉、核反应堆等高温极端环境中。然而，这些材料仍存在一些问题限制了它们在需要同时满足高纯度、高温度、良好气密性、高耐磨性和长寿命等多方面要求的应用场合。

2、首先，石墨材料在高温环境下具备良好的稳定性，可耐受多种极端条件。然而，其天然的脆性和较差的韧性意味着在机械冲击或震动环境下容易产生裂纹或断裂。此外，石墨在一些应用中会释放碳粉尘或微粒，这种碳污染问题可能导致所在系统的性能降低，并且增加了额外的清洁和维护成本。尽管创新工艺如化学气相沉积(cvd)能够提升石墨材料的耐磨性和抗氧化能力，但这些方法往往成本高昂，且对产品的纯度可能产生影响。

3、其次，碳碳复合材料因其优秀的比强度和比刚度，在航天业中得到了极大的关注。然而，这类材料的气密性较差，导致在某些气体环境下无法可靠封闭，从而限制了其应用范围。尽管碳碳复合材料可以被设计出较好的力学性能，但其耐磨性通常较差，这会影响到材料的使用寿命及维护周期。此外，与石墨材料类似，在高温条件下，它们也存在碳污染的问题。

4、最后，碳陶瓷作为一种高性能材料，它集成了碳材料的高温稳定性和陶瓷的高硬度。这些特性使得碳陶瓷成为在要求严苛的工况下的备选材料。然而，尽管碳陶瓷的整体性能相对较好，但其气密性、纯度以及在极端环境中避免碳污染的能力还有待提高。此外，制造成本高昂、加工困难也是限制碳陶瓷广泛应用的因素之一。

5、综上所述，尽管现有的热场材料在许多方面展现了出色的性能，但它们仍未能完全满足市场对于同时具有高纯度、耐高温、优良气密性、高耐磨性及长寿命的热场材料的需求。因此，开发一种全新的材料，或者改进现有材料的性能，以解决上述所提及的问题，对于科技进步和工业应用具有极其重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是在于提供一种高纯高致密碳陶复合材料的制备方法，该方法通过采用特殊的涂覆硅层的方式，得到的致密且均匀的涂层能够在1400℃以内稳定发挥作用，压力变化率低，提高了碳陶复合材料的气密性和耐磨性能。且通过该方法所制备的碳陶复合材料能同时满足对纯度、温度、气密性、耐磨性、寿命要求较高的工况中。

2、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种高纯高致密碳陶复合材料的制备方法，该方法是将碳碳复合材料经氟利昂纯化处理和熔融渗硅，得到碳陶复合材料；所述碳陶复合材料涂覆硅层致密化处理后经清洗除杂，即得；所述硅层的涂覆方式为激光涂覆、等离子涂覆或氩弧焊。

3、本发明的技术方案中，先利用氟利昂在高温环境下分解的含氯自由基产物与碳碳复合材料中的高熔点金属杂质反应形成低气化温度的氯化物，从而除去高熔点金属杂质。而后通过熔融渗硅提高了产品的致密度，增强了产品的抗腐蚀能力。发明人发现，若不进行熔融渗硅则因碳碳复合材料的孔隙过大过多导致气密性极差，同时后续的涂层涂覆中熔化的硅液会向碳碳复合材料内部孔隙渗透一方面无法完全填充孔隙，另一方面也无法发挥出涂层的作用。最后采用激光涂覆、等离子涂覆、氩弧焊进行涂覆硅层，进一步的提高了复合材料的致密度和粘接强度。

4、本发明采用激光涂覆、等离子涂覆、氩弧焊代替了传统cvd法制备涂层的工艺，不仅缩短了制备周期，降低了能耗和成本，更为重要的是，这三种方式均能在室温下进行，涂层厚度均可实现1.0mm以上，同时各区域涂层厚度均一性较高，涂层粘接强度高。

5、进一步优选为激光涂覆，因激光束的能量更高，在保证涂层的结合强度下扫描速度可以更快，涂覆的效率更高。虽激光涂覆的涂层厚度相对等离子涂覆及氩弧焊偏低，但已能够保证产品的气密性要求。

6、作为一种优选的方案，所述碳碳复合材料为碳碳桶或碳碳管，密度为1.3～1.6g/cm3。适当的密度便于后续熔融渗硅的进行，密度太低则孔隙大，熔融渗硅后孔隙依然较大；密度太高则孔隙小，产品内部往往难以完全致密化，使用过程中易造成气密性减弱或碳污染。

7、作为一种优选的方案，所述激光涂覆的原料为粒径30～150μm且纯度6n以上的高纯硅粉和/或碳化硅粉。

8、作为一种优选的方案，所述等离子涂覆的原料为粒径50～250μm且纯度6n以上的高纯硅粉和/或碳化硅粉。

9、作为一种优选的方案，所述氩弧焊的原料为纯度6n以上的高纯硅块和/或硅棒。

10、本发明技术方案中的硅粉粒径低则上粉率低，粒径高则易堵塞粉末传送系统。原料中通过加入碳化硅粉可以进一步提高复合材料的耐磨性。

11、作为一种优选的方案，所述激光涂覆的参数为：功率为4～8kw、光斑面积为(2～4)mm*(2～4)mm、扫描速度为300～800mm/min、涂层厚度为0.3～1.8mm。激光涂覆的功率低和扫描速度过快都会影响涂层粘接强度，功率高和扫描速度过慢易导致保护气保护不到位从而造成产品出现过热烧蚀。

12、作为一种优选的方案，所述等离子涂覆的参数为：涂覆电流为100～180a、离子气为1～3l/min、涂层涂覆速度为200～600mm/min、涂层厚度0.3～3.0mm。采用等离子涂覆时所制备的碳陶复合材料的气密性更优。

13、作为一种优选的方案，所述氩弧焊的参数为：电流为100～180a，涂层厚度0.5～3.0mm。采用氩弧焊相较于激光涂覆和等离子涂覆在处理小件产品时具有更高的灵活性。

14、作为一种优选的方案，所述氟利昂纯化处理的条件为：温度为1800～2400℃、时间为2～5h、氩气流量为10～40l/min、氟利昂流量为10～40l/min。纯化温度过低难以去除一些高熔点金属化合物，温度过高对设备要求较高且能耗大造成综合成本大幅提升，同时温度过高易造成碳碳桶/管石墨化，石墨化度过高不利于熔融渗硅的进行；保温时间过短除杂不彻底，而保温时间过长无法继续提高纯化效果。

15、作为一种优选的方案，所述熔融渗硅的条件为：温度为1800～2000℃，保温时间5～10小时。温度过低和时间过短均易造成熔融渗硅反应不彻底，温度过高和时间过长易造成熔融渗硅后的碳陶桶孔隙率过大。

16、作为一种优选的方案，所述清洗除杂采用超声辅助，时长为0.5～2h。通过超声辅助清洗可以进一步清洗掉碳陶复合材料中的水溶性杂质。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、1)本发明采用激光涂覆、等离子涂覆或氩弧焊的涂覆方式得到的碳陶复合材料的涂层致密性极高，压力变化检测均低于2000pa/h；涂层基体粘接强度≥20mp，稳定性高，能在高达1400℃下稳定发挥作用。

19、2)本发明的碳陶复合材料的杂质含量不高于200ppm，能适用于多种光伏及半导体材料生产的热场件，不会对光伏及半导体材料造成金属及其他杂质污染。

20、3)本发明的碳陶复合材料具有极高的耐磨性，可应对极端情况下的摩擦磨损，综合使用寿命极高。

21、4)本发明将激光涂覆、等离子涂覆和氩弧焊技术应用于碳陶复合材料表面改性。传统上，这些技术主要用于金属表面改性，使用自熔合金粉末和难熔金属化合物作为改性粉末。然而，直接将这些技术应用于碳陶复合材料会遇到润湿性差和粘接强度低的问题，同时大量金属杂质的引入不适用于光伏及半导体热场。而本发明以非金属材料硅作为原料，可单独使用或与非金属化合物碳化硅搭配使用，以改善碳陶复合材料的表面涂层。硅具有良好的润湿性，能提高涂层的粘接强度。同时，通过技术参数控制，解决了硅熔点高、高温易氧化的问题，使其适用于碳陶复合材料的表面改性。