製備核反應堆用石墨表面抗氧化塗層材料碳化矽的方法

2023-04-28 09:05:06 1

專利名稱：製備核反應堆用石墨表面抗氧化塗層材料碳化矽的方法
技術領域：
本發明屬於核反應堆材料製造技術領域。特別涉及用控制裂解聚碳矽烷(PCS)製備碳化矽的化學組成的一種製備核反應堆用石墨表面抗氧化塗層材料碳化矽的方法。
背景技術：
碳化矽塗層由於具有高溫強度高、導熱率高、高溫抗氧化性能好等特點，是核反應堆中石墨表面抗氧化塗層的高新材料。在碳化矽的製備方法中，自從矢島聖使教授在文獻「S.Yajima et al.，Chem.Lett.，931，1975」中公開了成功合成聚碳矽烷並轉化成SiC纖維以來，由於具有製備溫度低、簡單易控、產品純度高、性能優異等優點，利用裂解PCS製備SiC很快就成為SiC製備方法研究的一個熱點。
利用裂解PCS製備的SiC通常含有較多的游離碳，對SiC的高溫抗氧化性能不利，因而去除裂解PCS製備的SiC中的游離碳引起了人們的關注。目前人們已經研究過的用於消除裂解PCS製備的SiC的游離碳的方法包括改變PCS的成分及結構、在真空中裂解和在氫氣中裂解等。改變PCS的成分及結構工藝比較複雜，準確控制製備的SiC的成分比較困難；在真空或者氫氣氣氛中裂解可以消除游離碳，但也會降低陶瓷的產率，且為了獲得一定組成的SiC只能對應於一個特定的裂解溫度，裂解溫度不能獨立控制。

發明內容
本發明的目的是提供可以獨立改變裂解溫度和裂解氣氛來控制裂解聚碳矽烷製備的碳化矽化學組成的一種製備核反應堆用石墨表面抗氧化塗層材料碳化矽的方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟1).首先把聚碳矽烷濃度為10-30wt％聚碳矽烷的二甲苯溶液塗覆在石墨基體表面，待溶劑揮發後在基體表面獲得厚度為0.5-2.0μm的PCS塗層；2).將上述有PCS塗層的樣品放在流量為100-1000ml/min的含有矽組分的氣體與Ar或H2的混合氣體的保護反應爐中，在1000℃~1300℃處理溫度下進行高溫裂解1-5小時，通過獨立控制裂解溫度和裂解氣氛中含有矽組分的氣體含量來實現控制製備的碳化矽塗層的碳/矽比，其碳/矽質量比為0.6-4.2。
所述含有矽組分的氣體為SiH4或SiCl4。
所述含有矽組分的氣體與Ar或H2的混合氣體為SiH4/Ar、SiCl4/Ar、SiH4/H2或SiCl4/H2，其中SiH4或SiCl4的含量為2vol％-3vol％。
本發明的有益效果在裂解氣氛中加入含有矽組分的氣體，可以使PCS在裂解的過程中與含有矽組分的氣體反應來避免製備的SiC中的游離碳，且不降低陶瓷產率。此方法可以在一定溫度範圍內的任意溫度通過控制裂解氣氛中含有矽組分的氣體的含量來改變製備的碳化矽的碳/矽比，裂解溫度和裂解氣氛組成可以獨立控制。
具體實施例方式
本發明是一種製備核反應堆用石墨表面抗氧化塗層材料碳化矽的方法，包括以下步驟1).首先把聚碳矽烷濃度為10-30wt％聚碳矽烷的二甲苯溶液塗覆在石墨基體表面，待溶劑揮發後在基體表面獲得厚度為0.5-2.0μm的PCS塗層；2).將上述有PCS塗層的樣品放在含有矽組分的氣體SiH4或SiCi4與Ar或H2的混合氣體SiH4/Ar、SiCl4/Ar、SiH4/H2或SiCl4/H2，其中SiH4或SiCl4的含量為2vol％-3vol％，流量為100-1000ml/min的保護反應爐中，在1000℃～1300℃處理溫度下進行高溫裂解1-5小時，通過獨立控制裂解溫度和裂解氣氛中含有矽組分的氣體含量來實現控制製備的碳化矽塗層的碳/矽比，其碳/矽質量比為0.6-4.2。
下面通過實施例對本發明做進一步說明實施例1首先是通過把石墨基體在聚碳矽烷濃度為10wt％的聚碳矽烷/二甲苯溶液中浸漬在其表面形成一層厚度為2.0μm均勻的膜；在二甲苯揮發後基體表面獲得了PCS塗層。將上述製備了PCS塗層的樣品在Ar氣體中1000℃裂解獲得的SiC塗層的碳/矽比為3.7，在2vol％ SiH4的SiH4/Ar氣體中1000℃裂解獲得的SiC塗層的碳/矽比為1.5，在3vol％ SiH4的SiH4/Ar氣體中1000℃裂解獲得的SiC塗層的碳/矽比為0.8。
實施例2首先是通過把石墨基體在聚碳矽烷濃度為20wt％的聚碳矽烷/二甲苯溶液中浸漬在其表面形成一層厚度為0.5μm均勻的膜；在二甲苯揮發後基體表面獲得了PCS塗層。將上述製備了PCS塗層的樣品在H2氣體中1000℃裂解獲得的SiC塗層的碳/矽比為3.6，在2vol％ SiH4的SiH4/H2氣體中1000℃裂解獲得的SiC塗層的碳/矽比為1.2，在3vol％ SiH4的SiH4/H2氣體中1000℃裂解獲得的SiC塗層的碳/矽比為0.6。
實施例3首先是通過把石墨基體在聚碳矽烷濃度為30wt％的聚碳矽烷/二甲苯溶液中浸漬在其表面形成一層厚度為1.5μm均勻的膜；在二甲苯揮發後基體表面獲得了PCS塗層。將上述製備了PCS塗層的樣品在Ar氣體中1300℃裂解獲得的SiC塗層的碳/矽比為4.2，在2vol％ SiH4的SiH4/Ar氣體中1500℃裂解獲得的SiC塗層的碳/矽比為1.7，在3vol％ SiH4的SiH4/Ar氣體中1000℃裂解獲得的SiC塗層的碳/矽比為0.9。
實施例4首先是通過把石墨基體在聚碳矽烷濃度為20wt％的聚碳矽烷/二甲苯溶液中浸漬在其表面形成一層厚度為2.0μm均勻的膜；在二甲苯揮發後基體表面獲得了PCS塗層。將上述製備了PCS塗層的樣品在H2氣體中1000℃裂解獲得的SiC塗層的碳/矽比為3.6，在2vol％ SiCl4的SiCl4/H2氣體中1000℃裂解獲得的SiC塗層的碳/矽比為1.3，在3vol％ SiH4的SiH4/H2氣體中1000℃裂解獲得的SiC塗層的碳/矽比為0.7。
權利要求
1.一種製備核反應堆用石墨表面抗氧化塗層材料碳化矽的方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟1).首先把聚碳矽烷濃度為10-30wt％聚碳矽烷的二甲苯溶液塗覆在石墨基體表面，待溶劑揮發後在基體表面獲得厚度為0.5-2.0μm的PCS塗層；2).將上述有PCS塗層的樣品放在流量為100-1000ml/min的含有矽組分的氣體與Ar或H2的混合氣體的保護反應爐中，在1000℃～1300℃處理溫度下進行高溫裂解1-5小時，通過獨立控制裂解溫度和裂解氣氛中含有矽組分的氣體含量來實現控制製備的碳化矽塗層的碳/矽比，其碳/矽質量比為0.6-4.2。
2.根據權利要求1所述製備核反應堆用石墨表面抗氧化塗層材料碳化矽的方法，其特徵在於所述含有矽組分的氣體為SiH4或SiCl4。
3.根據權利要求1所述製備核反應堆用石墨表面抗氧化塗層材料碳化矽的方法，其特徵在於所述含有矽組分的氣體與Ar或H2的混合氣體為SiH4/Ar、SiCl4/Ar、SiH4/H2或SiCl4/H2，其中SiH4或SiCl4的含量為2vol％-3vol％。
全文摘要
本發明公開了屬於核反應材料製造技術領域的一種製備核反應堆用石墨表面抗氧化塗層碳化矽的方法。該方法首先把聚碳矽烷(PCS)溶液塗覆在基體表面，在溶劑揮發後在基體表面獲得PCS塗層；將上述製備了PCS塗層的樣品在含有Si的保護氣體中進行高溫裂解，通過獨立調節裂解溫度和裂解氣氛來控制矽烷的含量來實現碳化矽的碳/矽比，在裂解氣氛中加入含有矽組分的氣體，可以使PCS在裂解的過程中與含有矽組分的氣體反應來避免製備的SiC中的游離碳，且不降低陶瓷產率。此方法可以在一定溫度範圍內的任意溫度通過控制裂解氣氛中含有矽組分的氣體的含量來改變製備的碳化矽的碳/矽比，裂解溫度和裂解氣氛組成可以獨立控制。
文檔編號C23C20/08GK1554802SQ20031012176
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月23日 優先權日2003年12月23日
發明者付志強, 唐春和, 梁彤祥 申請人:清華大學