[发明专利]真空气相沉积反应法制备硅化石墨的方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅化石墨，具体指一种真空气相沉积反应法制备耐高温、耐磨损、抗腐蚀性、抗热冲击等优异的硅化石墨材料的方法，属于化工材料技术领域。

 

背景技术

硅化石墨（Silicon Carbide/Graphite Composite Material 简称SCGC）又称碳化硅涂层石墨或渗硅石墨。它是以石墨为基体，在其表面或表面深层渗入硅或碳化硅而形成的一种由碳化硅、石墨、游离硅多相组成的新型碳化硅/石墨复合材料。碳化硅层厚约1～3mm，与碳石墨基体结合紧密，同时碳化硅层内也分布有一定数量的石墨。硅化石墨综合了碳与碳化硅的特点，它不仅具有碳石墨材料的自润滑性，良好的导电导热性及抗热震性，还具有碳化硅的高硬度、抗氧化、耐化学腐蚀等优点，因此，硅化石墨材料越来越广泛，并且特别适于在重载、高温或大温度冲击等苛刻场合下的应用，已广泛用于化工、冶金及宇航和核工业领域。

碳在400℃左右与氧气反应，限制了其应用于高温领域的潜力。而硅化石墨依靠表面SiC层的保护，抗氧化性能优良，可在1000℃的氧化性气氛中长期使用。高温下SiC与氧的反应倾向较大，但是迅速分解的SiC生成致密SiO₂玻璃相阻隔了氧气与SiC的接触，因而使得硅化石墨具有良好的抗氧化性和热稳定性。此外，石墨和碳化硅都属于共价键结合化合物，所以硅化石墨的化学性质非常稳定，除强氧化气体、熔融碱之外，硅化石墨几乎耐所有酸碱腐蚀。

硅化石墨材料具有较高的物理机械性能，特别是SiC硬度仅次于金刚石和立方氮化硼及碳化硼，和硬质合金相比硅化石墨的密度小、热膨胀系数小、硬度高。硅化石墨具有良好的自润滑性能，自行组对摩擦系数小，如作为机械密封环的炭素材料长期以来都被当作典型的软质材料而与硬质材料如WC，Al₂O₃陶瓷等对磨，此外碳化硅属于高硬质材料，硅化石墨可自我配对，其组成的摩擦副还大量用于含固体颗粒介质的密封。用硅化石墨制作机械密封件，可比硬质合金件产生较小的振动、保持较好的耐磨性并易于保证密封性能。

碳与硅均是地球上丰富易得的原材料，硅以SiO₂的形式存在于地壳中，占硅总储量的1/4，约一百年以前通过电加热SiO₂和焦炭制得SiC后，大量的SiC粉用于磨料与耐火材料。由于SiC在常压下没有熔点，高温时没有液相产生，于2700～2800℃分解，SiC颗粒之间无法融并，所以要制造致密的SiC工程材料都有极大的困难。而制造硅化石墨相对较为容易，目前主有三种制造硅化石墨的方法：化学气相沉积（CVD）法；化学气相反应法（CVR）和液硅渗透反应法（LSP）。

化学气相沉积法是使含硅和碳的气体通过高温分解在石墨基体表面生成一层SiC沉积物的方法。所采用的气体为甲基三氯硅烷（CH₃SiCl）和氢气、四氯化硅加甲苯和氢气的混合物，或者硅蒸气加甲苯和氢气，操作温度为1175～1775℃。此法生成的SiC层极为致密，厚薄均匀，涂层厚度0.1～0.3mm，但生成的SiC与石墨基体之间的结合力较弱，SiC层在急冷急热环境易发生龟裂、剥落。

化学气相反应法是在石墨坩埚内，硅化反应原料为焦炭粉加过量高纯石英砂（SiO₂）或无定形硅粉，硅化反应原料与碳块隔离。2000℃左右，焦炭粉与高纯石英砂或无定形硅粉发生反应生成单氧硅（SiO）气体，SiO逐步渗透进入碳块气孔内与碳发生反应生成碳化硅。CVR法SiC层厚度0.5～1.5mm。分析证明，SiC层与碳层没有明显界面，结合力远较CVD法牢固。但是CVR法是采用SiO气体渗入碳块气孔内反应，仍然保留了材料的多孔性，因此用作密封材料时需采用树脂浸渍填充孔隙后才能使用。

液硅渗透法是在真空条件下，1800℃左右，在石墨坩埚内直接将碳块浸入液态硅液中，液硅与碳块完全浸润，液硅借助于碳块微孔产生的表面张力逐步渗人碳块内部发生反应生成碳化硅。采用的硅为纯度99.999%的无定形硅粉。碳化硅层厚度最大3.5mm。由于碳整体浸入硅液中，因此硅化石墨中含有2～l7%的游离硅，游离硅的存在降低了硅化石墨的耐腐蚀性能和高温抗氧化性能，可采用烧碱煮沸，使游离硅生成硅酸盐而去掉。

  

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种真空气相沉积反应法制备硅化石墨材料的方法。本方法制备的硅化石墨材料具有耐高温、耐磨损、抗腐蚀等综合性能优异。

本发明的技术方案是这样实现的：