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陈子阳文献综述

发布时间:2014-06-29 14:09:54  

河北科技师范学院

文献综述

电沉积纳米碳化硅涂层的制备

院(系、部)名 称 : 理 化 学 院

专 业 名 称: 化 学

学 生 姓 名: 学 生 学 号: 指 导 教 师

2013年 11 月 14 日

河北科技师范学院教务处制

摘 要

摘 要

关键词:碳化硅;电沉积纳米法;有机涂层

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1 绪论

纳米复合电镀技术是采用电镀方法,将纳米级的不溶性固体微粒加入镀液中,使其与基质金属共沉积得到复合镀层。得到的纳米复合镀层与相同组成、一般微粒的复合镀层相比,具有硬度高、耐磨损、抗高温氧化、耐腐蚀、电催化、光催化等优良特性。C/C复合材料是一种新型高温结构材料,其比强度、比模量和断裂韧性高,密度低,热容量大,同时具有较好的抗热震性、抗烧蚀性和化学稳定性。目前,C/C复合材料在航天领域,特别是在固体火箭发动机(solid—propellant rocketmotor,SRM)喷管中的应用取得了重大成就。但是C/C复合材料易氧化,耐冲刷性能差,在非惰性环境下其抗热震性能不能满足使用要求。许多学者用表面涂层的方法来解决这些问题,通过在C/C复合材料表面涂难熔碳化物。SiC(silicon carbide)纳米材料具有高的禁带宽度,高的临界击穿电场和热导率,小的介电常数和较高的电子饱和迁移率,以及抗辐射能力强,机械性能好等特性,成为制作高频、大工率、低能耗、耐高温和抗辐射器件的电子和光电子器件的理想材料。SiC 纳米线表现出的室温光致发光性,使其成为制造蓝光发光二极管和激光二极管的理想材料。近年来的研究表明:微米级SiC晶须已被应用于增强陶瓷基、金属基和聚合物基复合材料,这些复合材料均表现出良好的机械性能,可以想象用强度硬度更高及长径比更大的SiC 一维纳米材料作为复合材料的增强相,将会使其性能得到进一步增强。SiC一维纳米材料具有阈值场强低,电流密度大,高温稳定性好等优异特点可望作为电场发射材料,利用这一特性可制成第三代新型电子光源,并将在图像显示技术方面发挥巨大作用。随着研究的深入,研究者还发现一维SiC纳米结构在储氢、光催化和传感等领域都有广泛的应用前景。

2 纳米碳化硅的特点

纳米碳化硅具有纯度高,粒径小,分布均匀,比表面积大,高表面活性,松装密度低,具有极好的力学,热学,电学和化学性能,即具有高硬度,高耐磨性和良好的自润滑,高热传导率,低热膨胀系数及高温强度大等特点。

纳米碳化硅的性能特点:

2.1 纳米碳化硅粉体具有纯度高、粒径分布范围小、高比表面积等特点;

2.2 本产品具有化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等特点;

2.3 显微硬度为2840~3320kg/mm2, 其硬度介于刚玉和金刚石之间, 机械强度高于刚玉;

2.4 纳米碳化硅具有优良的导热性能,还是一种半导体,高温时能抗氧化。 3 纳米碳化硅涂层的制备方法

3. 1 刷涂和浸涂

就目前我国的纳米涂层应用实际情况而言,刷涂和浸涂仍是最为普遍的

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方法,因为它们使用简便,对操作人员的技术要求不高,成本相对较低。刷涂方法是先用水浸湿毛刷,甩干后即可蘸取

纳米涂料施工。用毛刷顺着一个方向轻柔快速刷涂(避免来回迅速刷涂) 。刷涂前应视不同底材及工艺要求进行底材的表面处理。必须确保底材干燥,表面无水、油污及其他杂质。浸涂是指将待涂的工件浸没于准备好的纳米涂料中,一定时间后再将工件取出晾干或烘干。同样,浸涂前也必须进行底材的表面处理,必须确保底材干燥,表面无水、油污及其他杂质。

3. 2 热喷涂

热喷涂方法是利用某种热源将涂层材料加热到熔融或半熔融状态,然后借助焰流本身或其他气体喷射到基体表面,沉积而成具有某种功能的表面涂层。制备纳米涂层的热喷涂方法有大气等离子喷涂法、低压或真空等离子喷涂法、超音速火焰喷涂、冷喷等方法。主要是通过物理给料,即利用普通送粉器或特制的送粉器将涂层材料的纳米团聚粉或纳米粉直接送入喷嘴,经高速高能粒子撞击基体形成纳米结构涂层。

3. 3 热分解化学气相沉积( CVD)

CVD 技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法,以基体上沉积纳米金刚石薄膜为例,有如下几种CVD 法:

(a) 热丝CVD 法:该方法利用高温(2000K 左右) 热丝(钨丝、钽丝) 将CH4 和H2 的混合气体解离和激发,得到含碳活性基团和激发态的H 原子。碳

在基底上沉积形成金刚石薄膜。

(b) 火焰沉积法:该法所用的碳源气体一般为工业乙炔气,助燃气为氧气。乙炔和氧气发生燃烧时产生的等离子气流在基底表面沉积,形成金刚石薄膜。

(c) 电子辅助CVD 法:电子辅助CVD 法是热丝法的改进。不同之处是在热丝和沉积台之间加一直流偏压,热丝为阴极,沉积台为阳极,在施加偏压的情况下,热丝发射电子并在偏压的作用下对中性气体分子进行轰击,加速了混合气体的电离,提高电离度,同时电子还有加热基底和加速对SP2 碳的刻蚀作用。

3. 4 物理气相沉积( PVD)

PVD 法是将清洁处理过的工件于真空环境中或等离子环境中的表面成膜技术。在PVD 工艺中,包括有电阻蒸发、电子束蒸发、溅射和离子镀四种专门蒸发工艺。按工艺流程划分,膜层的生成必须经过固体→气体→固体三个阶段。即把需要蒸发的固体材料,通过某种形式,使之加热溶解

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至气化(有的材料不经溶解便直接气化,称为升华) 最后沉积到基体上又成为固体的膜层。

3. 5 等离子增强化学气相沉积(PCVD)

借助于气体辉光放电产生的低温等离子体,增加了反应物质的化学活性,促进气体间的化学反应,从而在低温下也能在基片上形成新的固体膜,这就突破了CVD 只能在高温制膜的局限,可在非耐热性基片上成膜。按照等离子体产生的方法, PVCD可有如下几种:

(a ) 直流等离子体化学气相沉积法(DC2PCVD) :这种方法是在两平行平板电极之间加上直流电压形成等离子体,基片置于阳极上,并通水冷却以控制温度的变化。

(b) 直流等离子体喷涂CVD 法: 这是一种高速、低成本的金刚石薄膜沉积技术。在铜制的筒状阳极中,插入钨阴极棒,在两电极间通入甲烷、氢气和氩气,弧光放电产生于两极端部之间,这种方法产生的等离子体温度约为5000K。

(c) 射频等离子体CVD 法(R. F. PCVD) :R. F.PCVD 法是用频率为13. 56MHz 的电流使气体放电形成所谓射频等离子体。

(d) 高频等离子体CVD 法:用102~104kHz 的高频电流使反应气体放电,形成高频等离子体。

(e) 直流电弧放电法:这是一种利用弧光放电沉积金刚石薄膜技术,在阴阳极之间加上直流电压,产生热等离子体,基体置于等离子体下方,并且通过水冷却以控制温度。

(f) 微波等离子体化学气相沉积法(MW2PCVD) :其一是与热丝法相结合,称为微波热等离子体CVD 法(MWPCVD) 。其二是磁场微波等离子体CVD 法,引入磁场可以克服原来MWPCVD 法的缺点, 当电子作圆周运动的频率与微波频率(2145GHz) 相等时,发生电子回旋共振的磁场条件,就能在基片表面附近到一个等离子体密度高的区域,实现金刚石的大面积沉积。

图1不同情况下碳/碳复合材料SiC涂层形貌

4 纳米材料涂层的展望

纳米材料涂层及其技术正随着纳米材料的发展而发展。纳米材料研究正在不断提高与开发表面涂层所具备的特性和潜在的功能。在纳米材料的制备合成技术不断取得进展和基础理论研究日益深入的基础上,纳米功能涂层将会有更快、更全面的发展,制备方法也在不断得到创新和完善,

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其应用将遍及多个领域。

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