[发明专利]一种纤维表面氮化硼涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硼涂层制备方法，特别是涉及一种纤维表面氮化硼涂层的制备方法。

背景技术

连续纤维增强陶瓷基复合材料以其良好的补强增韧效果、优良的抗热震性能、大损伤容限、非灾难性破坏（具有与金属类似的塑性断裂行为）等特点而成为陶瓷基复合材料发展的主要方向。

纤维增强陶瓷基复合材料的结构包括纤维、基体及纤维和基体之间的界面相。连续纤维增强陶瓷基复合材料的性能不仅取决于纤维和基体的性能，更重要的是纤维、界面相和基体三者的性能匹配。界面相对陶瓷基复合材料的性能起着决定性作用。合适的界面相能够使基体裂纹偏转、纤维脱粘、纤维桥联、纤维拔出等增韧机理得到有效发挥。纤维表面涂层是控制界面相的有效手段。纤维表面涂层不仅能够控制界面相的结合强度，而且可以保护纤维免受工艺和使用过程中的腐蚀、氧化、界面化学反应及机械损伤，显著改善复合材料的力学性能。

氮化硼是一种有广泛应用前途的重要的抗氧化高温材料，具有优良的物理和化学特性：低密度、耐高温、抗氧化、耐化学腐蚀、自润滑、耐烧蚀、与多种金属不浸润、热导率高、绝缘性好、抗电击穿强度高、良好的透波性能、加工性能好。而六方氮化硼具有和石墨类似的层状晶体结构，层与层之间是范德华力的弱结合（相对于化学键强结合），易于滑动，可以用作纤维增强陶瓷基复合材料中的界面涂层。此外，氮化硼界面层与热解炭界面层相比，还具有其独特的优势：良好的抗氧化性能、耐各种金属熔体侵蚀且不被金属熔体润湿、更好的化学惰性。

氮化硼涂层的制备方法主要有物理气相沉积法、热喷涂法、先驱体转化法、化学转化法和化学气相沉积法等。其中化学气相沉积法适于在纤维及其编织体上制备涂层。传统的化学气相沉积法一般以B₂H₆+NH₃、（BCl₃、BF₃或BBr₃）+NH₃为先驱体来制备氮化硼涂层。但以这些先驱体为原料制备氮化硼涂层存在诸多缺点：原料气有毒且易燃易爆；设备腐蚀严重；废气污染环境，难以处理；涂层纯度不高；制备温度高；生长速率慢等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原料气无毒，对设备无腐蚀，对环境污染少，生长速率较快，涂层厚度均匀的纤维表面氮化硼涂层制备方法。

本发明的技术路线为：以硼吖嗪为先驱体，以氮气、氢气或氩气为稀释气体和载气，采用化学气相沉积法，在玻璃纤维、石英纤维、碳纤维或碳化硅纤维等纤维表面热解沉积制备氮化硼涂层。本发明用于制备氮化硼涂层之装置包括：化学气相沉积法室（沉积坩埚）、加热元件、温度控制系统、压强控制系统、流量控制系统、真空泵系统、气体导入、气体排出系统等构成。

本发明纤维表面氮化硼涂层制备方法具体包括以下步骤：（1）将纤维编织体置于有机溶剂丙酮中超声清洗，去除表面污染物，干燥后放入沉积炉膛内；（2）对沉积炉膛抽真空，充入氮气，反复进行三次，置换沉积炉膛内的空气；（3）对沉积炉膛抽真空至0.01~1 Pa（优选0.1~0.5 Pa），升温至500~1800 ℃（优选800~1200℃）；（4）待温度稳定后，导入载气和稀释气，载气流量10~1000 ml/min（优选20~500 ml/min），稀释气流量0~1000 ml/min，将系统压强维持在200Pa~30 kPa（优选800~12000Pa）；载气通过鼓泡的方式将硼吖嗪带入沉积炉炉膛内，硼吖嗪鼓泡瓶的保温温度为-30~40 ℃（优选-5~5 ℃，更优选0 ℃），硼吖嗪在沉积炉炉膛内分解出的氮化硼逐步沉积于纤维表面，形成氮化硼涂层，沉积时间1.5～3.0小时（优选2小时）；（5）沉积结束之后，停止导入载气及稀释气，关闭加热系统，随炉冷却至室温，即得沉积于纤维表面的氮化硼涂层。

所述纤维编织体可为玻璃纤维编织体、石英纤维编织体、碳纤维编织体或碳化硅纤维编织体。

所述载气为氢气、氮气或氩气或其中两种以上的混合气体（优选氮气），所述稀释气亦为氢气、氮气或氩气（优选氮气）。

研究表明，硼吖嗪是苯的等电子体，其结构与苯类似，因此又称为无机苯，其分子结构为B₃N₃H₆。分子中存在大的共轭π键，硼原子和氮原子相间排列成硼氮六环结构，每一个硼原子和氮原子分别于一个氢相连接。硼吖嗪的六元环结构是六方氮化硼的基本结构单元，B:N原子比为1:1，杂质元素仅含有氢元素，应是制备氮化硼陶瓷的理想先驱体。