低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层及其制备工艺

摘要

低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层及其制备工艺，该复合涂层由内封孔层和外涂层两部分组成；所述内封孔层由以下重量百分比的原料制成：碳化硅粉10%～60%，硅粉1%～25%，石墨粉0.05%～8%，聚丙烯腈研磨碳纤维1%～10%，硅溶胶40%～80%；所述外涂层由以下重量百分比的原料制成：碳化硅粉10%～30%，树脂40%～60%，稀释剂30%～70%，固化剂1%～6%。本发明还包括所述低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层的制备工艺。本发明之低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层具有较好抗氧化能力，涂层与基体材料的结合力好，表面致密，无裂纹产生，无落粉现象。

说明书

技术领域

本发明涉及晶体硅生长设备用热场材料配件，尤其是涉及一种低密度炭/炭复合隔热保温材料零件表面的C/SiC复合涂层及其制备工艺。

背景技术

炭/炭复合材料具有比强度和比模量高，耐高温，耐腐蚀，抗疲劳，抗蠕变，良好的导电及传热性能，以及热膨胀系数小等优异性能，因此，在很多领域得到广泛的应用。低密度炭/炭复合材料是单晶硅炉、多晶硅炉及很多行业高温炉必不可少的保温隔热材料。单晶硅炉、多晶硅炉内的工作温度在1500℃以上，其工作环境中多含有硅蒸气及氧化性气体，而低密度炭/炭复合材料的开孔孔隙在80%以上，因此，极易被侵蚀。随着太阳能光伏行业快速发展，单晶硅、多晶硅制造行业的迅速扩张，炭/炭热场材料的需求日益增加，竞争越来越激烈，品质的要求也更高。对炭/炭复合材料表面涂层处理是提高炭/炭复合材料表面抗侵蚀，提高产品的稳定性，延长产品使用寿命，提高产品品质的主要方法。

原位反应形成的SiC与炭基体结合力强，热匹配性能好，是优良的高温防氧化涂层材料，化学惰性大，熔点极高，其高温性能、抗热震性能和抗氧化性能优异，同时SiC高温反应可生成连续、均匀、致密的SiO₂氧化保护膜，在1700℃以下具有相对较低的蒸气压和氧的扩散渗透率，与炭材料有较好的化学相容性等特点，因此常用来作为炭炭材料或石墨高温材料的防氧化涂层。

中国专利201010516935.7公开了一种低密度炭/炭复合材料表面涂层的制备方法。该方法虽然工艺简单，但是涂层与基体的结合力较差，易落粉。

中国专利200310115119.5公开了一种炭/炭复合材料防氧化涂层；中国专利200510012730.4公开了一种炭材料表面高温抗氧化涂层的制备方法；中国专利200910311945.4公开了一种炭/炭复合材料表面抗烧蚀复合涂层及制备方法，上述专利均是较高密度碳材料表面涂层的制备方法，且不适用于对金属杂质含量要求苛刻的硅晶体炉的使用要求。

中国专利200810079793.5公开了一种对炭材料采用电泳沉积制备碳化硅涂层的方法，该方法工艺过程复杂，成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种与基体材料的结合力好，表面致密，无裂纹产生，无落粉现象，工艺过程简单，成本低的低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层及其制备工艺。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明之低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层，由内封孔层和外涂层两部分组成；

所述内封孔层由以下重量百分比的原料制成：碳化硅粉10%～60%（优选20%～30%），硅粉1%～25%（优选2%～5%），石墨粉0.05%～8%（优选1%～5%），聚丙烯腈研磨碳纤维1%～10%（优选2%～5%），硅溶胶40%～80%（优选55%～75%），所述各组分配比之和为100%；

所述外涂层由以下重量百分比的原料制成：碳化硅粉10%～30%（优选15%～20%），树脂40%～60%（优选45%～50%），稀释剂30%～70%（优选35%～50%），固化剂1%～6%（优选3%～5%），所述各组分配比之和为100%。

本发明之低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层的制备工艺，包括以下步骤：

（1）对低密度炭/炭复合材料制品表面用200～400目的砂纸打磨平整，用吸尘器吸去浮尘；

（2）按质量配比碳化硅粉10%～60%（优选20%～30%），硅粉1%～25%（优选2%～5%），石墨粉0.05%～8%（优选1%～5%），聚丙烯腈研磨碳纤维1%～10%（优选2%～5%），硅溶胶40%～80%（优选55%～75%）将各原料混合，搅拌均匀，得浆料；用所得浆料均涂于经步骤（1）处理后的低密度炭/炭复合材料制品表面，涂覆厚度100～200μm；

（3）将经步骤（2）处理后的低密度炭/炭复合材料制品在室温条件下晾0.5～1小时后，置于烘箱中进行烘烤，以50±2℃/h的升温速率升温至80～180℃（优选110～130℃）后，保温烘烤1～2小时；

（4）对经步骤（3）处理后的低密度炭/炭复合材料制品表面用400～800目的砂纸打磨平整，用吸尘器吸去浮尘；

（5）按质量配比碳化硅粉10%～30%（优选15～20%），树脂40%～60%（优选45%～50%），稀释剂30%～70%（优选35%～50%），固化剂1%～6%（优选3%～5%）将各原料混合，搅拌均匀，得浆料；用所得浆料均涂于经步骤（4）处理后的低密度炭/炭复合材料制品表面，涂覆厚度50～100μm；

（6）将经步骤（5）处理后的低密度炭/炭复合材料制品在室温条件下晾1～2小时后，置于烘箱中进行烘烤，以60±2℃/h的升温速率升温至120～240℃（优选170～190℃）后，保温烘烤1～2小时；

（7）将经步骤（6）处理后的低密度炭/炭复合材料制品置入化学气相沉积炉中，采用碳氢气体进行化学气相沉积，沉积温度为900～1200℃，沉积时间为10～20小时，碳氢气体流量为20～40L/min，氮气流量为10～20L/min。

进一步，步骤（2）中，碳化硅粉为α-SiC，粒度为400～1200目，硅粉粒度为400～800目，石墨粉粒度为400～600目，聚丙烯腈研磨碳纤维长度50～200μm。

进一步，步骤（5）中，碳化硅粉为α-SiC，粒度为400～1200目，树脂为呋喃树脂、酚醛树脂或有机硅树脂，稀释剂为乙醇或丙酮，固化剂为对甲苯磺酸。

进一步，步骤（7）中，化学气相沉积处理中碳氢气体为甲烷、丙烷或丙烯。

本发明之低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层具有较好抗氧化能力，涂层与基体材料的结合力好，表面致密，无裂纹产生，无落粉现象。

本发明之低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层制备工艺，无须经过高温烧结处理，工艺流程简单，重复性好，可批量化生产，成本低；涂层采用喷涂或刷涂，可操作性强；由于进行封孔处理，因而可避免低密度炭/炭复合材料在外涂层处理工艺中因过多吸附涂料造成密度增加、厚度不均及开裂等现象。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例之低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层，由内封孔层和外涂层两部分组成；

所述内封孔层由以下重量百分比的原料制成：碳化硅粉20%，硅粉2%，石墨粉1%，聚丙烯腈研磨碳纤维 2%，硅溶胶75%；

所述外涂层由以下重量百分比的原料制成：碳化硅20%，树脂40%，稀释剂35%，固化剂5%。

本实施例之低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层的制备工艺，包括以下步骤：

（1）采用密度为0.15g/cm³，外径为1015mm，内径为940mm，高度为600mm的筒类产品（低密度炭/炭复合材料）；对产品表面用300目的砂纸打磨平整，用吸尘器吸去浮尘；

（2）按质量配比采用碳化硅粉20%，硅粉2%，石墨粉1%，聚丙烯腈研磨碳纤维 2%，硅溶胶75%混合均匀，得浆料；用所得浆料均涂于经步骤（1）处理后的产品表面，涂覆厚度150μm；

所述碳化硅粉为α-SiC，粒度为1200目，硅粉粒度为400目，石墨粉粒度为500目，聚丙烯腈研磨碳纤维长度50～200μm；

（3）将经步骤（2）处理后的产品在室温条件下晾0.5小时后，置于烘箱中进行烘烤，以50±1℃/h的升温速率升温至120℃后，保温烘烤1.5小时； 

（4）将经步骤（3）处理后的产品表面用500目的砂纸打磨平整，用吸尘器吸去浮尘；

（5）按质量配比碳化硅粉20%，树脂40%，稀释剂35%，固化剂5%混合，搅拌均匀，得浆料；用所得浆料均涂于经步骤（4）处理后的产品表面，涂覆厚度80μm；

所述碳化硅粉为α-SiC，粒度为1200目，树脂为酚醛树脂，稀释剂为丙酮，固化剂为对甲苯磺酸；

（6）将经步骤（5）处理后的产品在室温条件下晾1小时后，置于烘箱中进行烘烤，以60±1℃/h的升温速率升温至180℃后，保温烘烤1.5小时； 

（7）经步骤（6）处理后的产品置入化学气相沉积炉中，采用丙烷进行化学气相沉积，沉积温度为1000℃，沉积时间为10小时，丙烷流量为30L/min，氮气流量为12L/min。

本实施例制备的炭/炭复合材料复合涂层，用于单晶炉保温材料，在温度为1500℃的条件下使用1500小时，表面涂层无开裂、落粉现象，失重约2%（见表1）。

实施例2

本实施例之低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层，由内封孔层和外涂层两部分组成；

所述内封孔层由以下重量百分比的原料制成：碳化硅粉30%，硅粉5%，石墨粉5%，聚丙烯腈研磨碳纤维5%，硅溶胶55%；

所述外涂层由以下重量百分比的原料制成：碳化硅粉15%，树脂47%，稀释剂35%，固化剂3%。

本实施例之低密度炭/炭复合材料C/SiC复合涂层的制备工艺，包括以下步骤：

（1）采用密度为0.20g/cm³，外径为980mm，内径为702mm，高度为80mm的板材类产品（低密度炭/炭复合材料）；对产品表面用300目的砂纸打磨平整，用吸尘器吸去浮尘；

（2）按质量配比采用碳化硅粉30%，硅粉5%，石墨粉5%，聚丙烯腈研磨碳纤维5%，硅溶胶55%混合，搅拌均匀，得浆料；用所得浆料均涂于经步骤（1）处理后的产品表面，涂覆厚度150μm；

所述碳化硅粉为α-SiC，粒度为1200目，硅粉粒度为400目，石墨粉粒度为500目，聚丙烯腈研磨碳纤维长度50～200μm；

（3）将经步骤（2）处理后的产品在室温条件下晾1小时后，置于烘箱中进行烘烤，以50±1℃/h的升温速率升温至120℃后，保温烘烤1.5小时； 

（4）将经步骤（3）处理后的产品表面用500目的砂纸打磨平整，用吸尘器吸去浮尘；

（5）按质量配比碳化硅粉15%，树脂47%，稀释剂35%，固化剂3%混合，搅拌均匀，得浆料；用所得浆料均涂于经步骤（4）处理后的产品表面，涂覆厚度80μm；

所述碳化硅粉为α-SiC，粒度为1200目，树脂为呋喃树脂，稀释剂为乙醇，固化剂为对甲苯磺酸；

（6）将经涂层处理后的产品在室温条件下晾1小时后，置于烘箱中进行烘烤，以60±1℃/h的升温速率升温至180℃后，保温烘烤1.5小时； 

（7） 经步骤（6）处理后的产品置入化学气相沉积炉中，采用甲烷进行化学气相沉积，沉积温度为1100℃，沉积时间为20小时，甲烷流量为25L/min，氮气流量为10L/min。

本实施例制备的炭/炭复合材料复合涂层，用于单晶炉保温材料，在温度为1500℃的条件下使用2000小时，表面涂层无开裂、落粉现象，失重3.2%（见表2）。

表1 筒类产品抗氧化性能测试结果

时间（h）60120180…138014401500失重率（%）0.680.690.693…1.941.9652.01

 表2 板类产品抗氧化性能测试结果

时间（h）60120180…138014401500失重率（%）0.450.50.65…3.153.153.2