[发明专利]一种制备硼掺杂各向同性热解炭材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及热解炭材料领域，具体为一种抗氧化性能优异的硼掺杂各向同性热解炭材料的制备方法。

背景技术

由于炭质材料具有自润滑性好、摩擦系数低、导热性好、热膨胀小、耐腐蚀、耐磨损、耐高温等优异性能，作为结构或功能材料广泛应用于机械、电子、原子能、生物医学等诸多领域。文献“大尺寸各向同性热解炭的制备与表征《新型炭材料》21卷2006年第2期，第119～123页”，公开了一种采用大型稳态流化床、化学气相沉积工艺制备各向同性热解炭的方法。采用这种方法制备得到的各向同性热解炭主要由直径为300纳米～2微米的球形颗粒状碳结构组成，构成这种球形颗粒状碳结构的是乱层结构的石墨片层堆积体，是一种结构均匀致密的高性能炭质材料。然而，这种材料和其他炭质材料一样，在氧化性介质环境中的使用温度至多到450℃，这极大地限制了其在更高温度下的应用。

美国专利(U.S.Pat.No.3,867,191)介绍了一种非晶硼碳合金涂层材料的制备方法。采用这种方法制备得到的非晶硼碳合金涂层材料没有晶界、没有尖锐的X射线衍射峰、表面光滑以及很高的弹性模量和硬度等特征，在电子工业、复合材料等领域中能得到广泛的应用。但是，这种非晶硼碳合金与各向同性热解炭材料在结构和性能方面存在着显著的差异。

发明内容

为了提高各向同性热解炭材料的抗氧化性能，本发明的目的在于提供一种制备硼掺杂各向同性热解炭材料的方法，解决现有技术中存在的这种非晶硼碳合金与各向同性热解炭材料在结构和性能方面存在着显著的差异等问题。

本发明的技术方案是：

一种制备硼掺杂各向同性热解炭材料的方法，该方法采用化学气相共沉积工艺。使用的碳源可以是C1～C5的碳氢化合物或相应的卤代衍生物(CH_aX_b，a+b＝4，X＝F、Cl、Br或I)。硼源可以是卤化硼BX₃(X＝F、Cl或Br)或硼烷。稀释气体(或载气)使用氢气、氩气或氮气等。沉积压力为常压(略高于1atm，压力范围为：1.013×10⁵Pa～1.1×10⁵Pa)，沉积温度为1100～1400℃，沉积基体为石墨。通过控制气源比例(碳源与硼源之摩尔比，C/B)和沉积温度等工艺参数，在高温管式沉积炉中，可以制备得到硼掺杂各向同性热解炭材料。

本发明中，使用甲烷、三氯化硼和氢气作为反应气时，反应按下式进行：

8BCl₃(g)+5CH₄(g)+2H₂(g)→2B₄C(s)+3C(s)+24HCl(g)

本发明中，利用硅碳棒发热体对炉管进行加热，炉膛升温速率为20～30℃/分钟，沉积温度为1100～1400℃，通过可编程温度控制器来调节和控制。通过调整沉积温度，可以改变制品的密度和微观结构，得到致密度不同的材料。

本发明中，气氛组成对沉积过程也有较大的影响，当C/B处于0.5～2之间时，能制备出具有较高致密度的硼掺杂各向同性热解炭。在达到设定的反应温度后，同时通入碳源、硼源和稀释气体(或载气)。碳源占气体总流量的10～15％，硼源占气体总流量的9～25％，其余为稀释气体(或载气)。

作为沉积基体的石墨放置于沉积反应器的高温区，反应气体通过高温区，进行流动反应和裂解，在基体上沉积生成硼掺杂各向同性热解炭材料，未反应的和反应产生的气体进入尾气处理系统处理，材料制备时间为0.5～10小时。结束后，在氩气等惰性气体的保护下，自然冷却降至室温。冷却后，根据沉积时间和沉积速率的不同，即可得到不同厚度的硼掺杂各向同性热解炭涂层或块体材料。

本发明中，所述硼掺杂各向同性热解炭材料中的硼掺杂含量为2～10at.％。

本发明中，所述硼掺杂各向同性热解炭材料中的热解炭具有乱层结构。

本发明中，所述硼掺杂各向同性热解炭材料中的硼元素主要以碳化硼的形式存在，均匀分布在热解炭基质中。

本发明中，所制备的硼掺杂热解炭材料的起始氧化温度为928℃。

本发明的有益效果如下：

1、本发明制备得到的硼掺杂热解炭材料结构致密均匀，元素硼能均匀分布在各向同性热解炭材料内部。

2、本发明通过控制气氛中硼源浓度能够制备不同硼含量的各向同性热解炭材料，这种硼掺杂各向同性热解炭材料具有优异的抗氧化性能。

附图说明

图1为沉积装置示意图。

图2为硼掺杂各向同性热解炭的正交偏光金相显微照片。