[发明专利]一种石墨复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种石墨复合材料及其制备方法和应用，石墨复合材料包括石墨基材以及设置在石墨基材表面的复相涂层，复相涂层从内至外包括依次相连的碳化硅层、晶须增韧层和碳化钽‑碳化硅复合层，晶须增韧层由碳化钽晶须构成，晶须增韧层中至少有部分碳化钽晶须伸入碳化钽层以及碳化钽‑碳化硅复合层之中。本发明利用化学气相沉积备碳化硅层，利用碳热还原反应法制备晶须增韧层，利用化学气相共沉积制备碳化钽‑碳化硅复合层，各层厚度均匀、结构可控，物相纯度高，工艺简单、周期短；本发明的石墨复合材料涂层之间热匹配度高、结合效果好，具有良好的使用稳定性和使用寿命，可满足超2000℃的高温工况的使用条件。

技术领域

本发明涉及炭材料及涂层技术领域，具体涉及一种石墨复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳基材料因其低密度和优异的高温力学性能等特点，在航空航天、半导体材料方面具有广泛的应用前景。然而，在含氧气氛和酸碱腐蚀气氛的服役环境下，碳基材料会发生严重的氧化和酸碱腐蚀，严重限制了其在航空航天关键部位、热场及半导体领域的应用。为了解决该问题且经过国内外学者的大量研究发现，涂层技术是一种在苛刻环境下有效防护碳基材料的技术。

目前，碳化硅涂层已被广泛用作碳基材料的高温涂层，且表现出优异的抗氧化、抗腐蚀性能。尤其是在半导体制备领域，SiC涂层不仅可以为其常用的碳基材料提供足够的防护，还可以阻碍碳基中的碳元素扩散到产品中，提高产品的质量。尽管如此，随着半导体制备工业体系中的制备温度增加，单一SiC涂层已不能满足其需求。

申请号为202011431664.5的中国专利公开了一种具有复合涂层结构的MOCVD设备用基座盘及其制备方法，该方法通过化学气相共沉积法由内到外依次包括C-SiC共沉积层、SiC涂层、SiC-TaC共沉积层，有效缓解了TaC涂层热膨胀系数大而造成涂层中内应力大的影响，可有效避免涂层在使用过程中出现开裂脱落等问题。然而，由于陶瓷本身固有的脆性太大，尽管层与层之间的热匹配得到缓解，但是涂层在热应力的影响下还是极易开裂。

发明内容

本发明提供了一种石墨复合材料及其制备方法和应用，用以解决目前现有石墨基材表面涂层难以匹配高温使用工况、易脱落的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种石墨复合材料，包括石墨基材以及设置在石墨基材表面的复相涂层，所述复相涂层从内至外包括依次相连的碳化硅层、晶须增韧层和碳化钽-碳化硅复合层，所述晶须增韧层由碳化钽晶须构成，所述晶须增韧层中至少有部分所述碳化钽晶须伸入所述碳化硅层以及碳化钽-碳化硅复合层之中。

上述技术方案的设计思路在于，背景技术中已提到现有的碳化硅单一涂层很难满足石墨复合材料在极高温下的使用需求，而如果采用碳化钽-碳化硅复合层或单一碳化钽层沉积在基材表面，虽可提高使用温度上限，但仍会因热应力的原因而出现直接开裂或脱落的问题，为解决上述涂层热稳定性差、寿命短的问题，本发明选用碳化钽-碳化硅复合涂层作为石墨基材的最外涂层，以碳化硅层作为过渡层，并基于碳化钽晶须高度的取向性、高比强度、高比模量、良好的耐化学腐蚀性和抗氧化性能，在碳化硅过渡层的基础上沉积碳化钽晶须作为增强增韧相，碳化钽晶须基于碳化硅层且镶嵌在碳化钽-碳化硅复合层中，一方面利用较高的长径比使涂层具有更佳的力学性能，另一方面碳化钽晶须与外层的物相形成互穿网络结构，从而缓解最外层涂层的应力状态，由于复相涂层总厚度有一定上限，如果仅仅以碳化硅层作为过渡层来缓解热匹配问题的话，在2000℃以上的高温环境下是难以满足使用需求的，因此高熔点的晶须增韧层的引入至关重要；同时通过上述各层的设计，可以匹配石墨基材与晶须增韧层以及碳化钽-碳化硅复合层的热膨胀差别，改善碳化钽-碳化硅复合层本征热膨胀系数高带来的热失配问题。

作为上述技术方案的进一步优选，所述晶须增韧层中，碳化钽晶须呈网状分布，且所述碳化钽晶须的长径比为7~24。