CVD法在多孔陶瓷基体上制备氮化硅涂层的显微结构及性能研究

摘要

多孔陶瓷是一种新型陶瓷材料，具有密度低、气孔率高、抗腐蚀、耐高温和使用寿命长等优点，能在较大温度范围内正常使用，可以作为一种理想的新型高性能透波候选材料。较高气孔率的存在有效降低了陶瓷材料的介电常数，其主要不足之处在于吸潮现象导致的电学性能不稳定和多孔结构引起的力学性能降低，这一系列问题的解决可以通过在多孔结构的表面形成致密化涂层的处理来实现。 氮化硅陶瓷是结构陶瓷中综合性能最好的材料之一，它的电学、热学和机械性质十分优良，在氧化气氛中可以使用到1400℃，在中性或者还原性气氛中可以使用到1850℃。氮化硅陶瓷既具有优于一般陶瓷材料的机械性能和热稳定性能，又具有较低的介电常数和介电损耗，在半导体、航空航天工业上应用广泛，尤其是在航天透波材料(天线罩、天线窗)的研制方面取得了很大的进展。 化学气相沉积(CVD)工艺被广泛应用于沉积碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氧化物等各种单晶、多晶或其它无定形态的无机涂层材料。数据显示，与其它制备工艺相比，CVD法所得氮化硅涂层介电常数更低，介电损耗随温度变化更小。由于先进设备及理论探讨等方面的不足，国内在沉积工艺及机理等方面的研究工作还刚刚起步，处于初步探讨阶段，远远达不到系统化、实用化的要求。 基于以上考虑，本论文采用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺分别在多孔石英陶瓷和多孔氮化硅陶瓷材料基体上制备致密化的氮化硅涂层。首先根据化学气相沉积氮化硅涂层所涉及的主要化学反应体系的特点，确定甲硅烷/氨气体系为反应前驱体，并系统讨论了该体系化学气相沉积氮化硅涂层所涉及的相关热力学和动力学过程，讨论了热力学相图在预测指导化学反应过程中的作用和意义。然后在单晶硅基体上沉积氮化硅涂层，系统考察反应气体配比、沉积温度及体系压力等工艺参数对材料微观结构和性能的影响，确定最佳工艺条件。最后分别在多孔石英陶瓷基体和多孔氮化硅陶瓷基体上沉积了均匀致密的氮化硅涂层，系统分析了各沉积工艺参数对涂层与基体之间结合强度的影响，通过对所得复合材料进行吸潮率、抗弯强度和介电性能的表征，探讨氮化硅涂层对多孔基体力学性能和介电性能的影响。 实验结果表明，以甲硅烷与氨气为反应前驱体、氩气为保护气、氮气为载气，保持硅烷流量为200sccm、氨气流量为1000sccm、反应体系工作压力为100Pa，900℃下沉积30min可以得到沉积速率较大(～85A/min)、粒径尺寸较小(～0.2μm)、表面致密性较好的近化学计量比非晶态氮化硅涂层材料；多孔石英陶瓷材料和多孔氮化硅陶瓷材料表面沉积氮化硅涂层后，其力学性能分别提高45％和20％以上，介电常数ε变化均小于0.05，介电损耗tgδ的变化均小于1×10-3，在经历湿热、泡水等恶劣环境后，介电常数ε变化均小于0.09，介电损耗tgδ的变化分别小于3×10-3和4×10-3，说明氮化硅涂层有效降低了大气环境水分对多孔石英陶瓷材料和多孔氮化硅陶瓷材料介电性能的影响，为提高此类材料使用过程中电学性能的稳定性起到了重要作用；沉积工艺参数对涂层附着力的影响趋势与基体材料的选择关系不大。而且各工艺参数对涂层与基体结合强度的影响不是单独的，而是相互作用的，综合考虑各工艺参数的影响可以获得最大附着力为30.2N的多孔石英基体氮化硅涂层复合材料，而氮化硅涂层在多孔氮化硅陶瓷基体上的最大附着力可以达到35.2N。 综上所述，本文采用LPCVD工艺在多孔透波材料基体上成功制备了结合强度较好的致密化氮化硅涂层，所得涂层有效稳定了多孔材料使用过程中的电学性能，同时其力学性能也在一定程度上得到了改善。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1多孔透波陶瓷的研究现状及进展

1.1.1国内外研究现状

1.1.2多孔透波陶瓷研究展望

1.2氮化硅涂层的研究现状

1.2.1氮化硅涂层的制备工艺

1.2.2氮化硅涂层的研究现状

1.3化学气相沉积(CVD)工艺应用领域

1.3.1化学气相沉积的工作原理

1.3.2化学气相沉积的主要工艺参数

1.4论文工作的提出和研究目的、意义

1.5论文的研究体系和主要研究内容

第2章化学气相沉积氮化硅涂层的过程设计及理论分析

2.1引言

2.2主要化学反应体系

2.3沉积过程热力学分析

2.3.1化学反应的自由能变化

2.3.2化学反应平衡及热力学相图

2.4沉积过程动力学分析

2.4.1气体的输运

2.4.2气相化学反应

2.4.3气体组分的扩散

2.4.4表面吸附及表面化学反应

2.4.5表面扩散

2.5低压化学气相沉积(LPCVD)装置的设计

2.6小结

第3章CVD法制备氮化硅涂层的工艺参数设计、控制及其与显微结构的关系

3.1引言

3.2氮化硅涂层的CVD工艺参数设计

3.2.1基体材料准备

3.2.2 CVD工艺流程设计

3.3表面形貌、化学组成和晶体结构表征

3.4结果与讨论

3.4.1工艺参数对沉积速率的影响

3.4.2工艺参数对表面微观形貌的影响

3.4.3工艺参数对化学组成的影响

3.4.4涂层的化学组成表征

3.4.5工艺参数对晶体结构的影响

3.5小结

第4章多孔石英陶瓷的制备及在该基体上化学气相沉积氮化硅涂层的工艺、结构与性能

4.1引言

4.2多孔石英陶瓷基体材料的制备

4.2.1实验与测试

4.2.2结果与讨论

4.3 CVD工艺参数设计

4.3.1基体材料准备

4.3.2反应体系选择

4.3.3 CVD工艺流程设计

4.4表面形貌、化学组成和晶体结构表征

4.5结合强度、防潮性能、力学性能及介电性能表征

4.6结果与讨论

4.6.1涂层表面微观形貌表征

4.6.2涂层化学组成表征

4.6.3涂层晶体结构表征

4.6.4化学气相沉积工艺参数对涂层附着力的影响

4.6.5涂层防潮性能表征

4.6.6氮化硅涂层对多孔石英陶瓷基体力学性能的影响

4.6.7氮化硅涂层对多孔石英陶瓷基体介电性能的影响

4.7小结

第5章多孔氮化硅陶瓷的制备及在该基体上化学气相沉积氮化硅涂层的工艺、结构与性能

5.1引言

5.2多孔氮化硅陶瓷材料的制备

5.2.1实验与测试

5.2.2结果与讨论

5.3 CVD工艺参数设计

5.3.1基体材料准备

5.3.2反应体系选择

5.3.3 CVD工艺流程设计

5.4表面形貌、化学组成和晶体结构表征

5.5结合强度防潮性能、力学性能及介电性能表征

5.6结果与讨论

5.6.1涂层表面微观形貌表征

5.6.2涂层化学组成表征

5.6.3涂层晶体结构表征

5.6.4化学气相沉积工艺参数对涂层附着力的影响

5.6.5涂层防潮性能表征

5.6.6氮化硅涂层对多孔氮化硅陶瓷基体力学性能的影响

5.6.7氮化硅涂层对多孔氮化硅陶瓷基体介电性能的影响

5.7小结

第6章结论

参考文献

攻读博士期间发表及完成的学术论文目录

致谢