碳化硅基CVD金刚石涂层的制备方法及碳化硅基
技术领域
本发明实施例涉及碳化硅陶瓷技术领域，具体涉及一种碳化硅基CVD金刚石涂层的制备方法及碳化硅基。
背景技术
碳化硅具有优良的力学、热学、电学等特性，被广泛应用于防弹装甲、精密轴承、热交换器部件等领域。然而，碳化硅陶瓷的塑性变形能力差，韧性低，不易加工成型。因此，碳化硅陶瓷一经制成，其显微结构就难以通过变形来得以改善，特别是其中的孔洞、微裂纹和有害物质。
化学气相沉积(Chemical%20Vapour%20Deposition，CVD)金刚石薄膜具有十分接近天然金刚石的硬度、高弹性模量、低摩擦系数、极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能，因此它是一种优异的耐磨、减摩和保护性涂层材料。在碳化硅陶瓷材料上沉积CVD金刚石薄膜不但可以填补陶瓷材料表面的缺陷，还能提高其表面硬度、降低摩擦系数、提高耐磨耐蚀性能。
良好的膜基结合性能是涂层正常工作的基础，同时涂层的使用寿命也会随着结合性能的增加而增加。如何提升碳化硅基金刚石涂层的膜基结合性能，是目前需要解决的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种碳化硅基CVD金刚石涂层的制备方法及碳化硅基，可以提升碳化硅基金刚石涂层的膜基结合性能。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种碳化硅基CVD金刚石涂层的制备方法，所述方法包括：
S1、基体预处理：将碳化硅基体打磨，抛光，洗涤，烘干；
S2、酸处理：将预处理后的碳化硅基体置于盐酸溶液中进行超声清洗，取出后用去离子水清洗干净；
S3、碱处理：将酸处理后的碳化硅基体置于氢氧化钠溶液中，加热碱煮，然后用去离子水清洗并烘干；
S4、硅烷偶联剂改性：将碱处理后的碳化硅基体浸渍在硅烷偶联剂溶液中接枝24h，后烘干。
S5、涂层的制备：将改性处理后的碳化硅基体置于化学气相沉积炉中，通入H2和CH4，沉积金刚石涂层。
其中，步骤S1中：
所述打磨选用1500#砂纸；
所述抛光选用DSM80-100抛光机；
所述洗涤用无水乙醇超声清洗15-30min，以去除碳化硅基体上的有机物或无机物杂质；
所述烘干温度为80-120℃，时间为1-2h。
其中，步骤S2中：
所述盐酸溶液的浓度为10-30％，超声清洗时间为10-40min。
其中，步骤S2中：
所述盐酸溶液的浓度为20％，超声清洗时间为10-30min。
其中，步骤S3中：
所述氢氧化钠溶液的浓度为1-3mol/L；
所述加热碱煮温度为80℃，时间为2-4h；
烘干温度为80-120℃，时间为0.5-1h。
其中，步骤S3中：
所述氢氧化钠溶液的浓度为2mol/L；
所述加热碱煮温度为80℃，时间为2-4h；
烘干温度为80-120℃，时间为0.5-1h。
其中，步骤S4中：
所述硅烷偶联剂为KH550，所述硅烷偶联剂溶液包括硅烷偶联剂、乙醇和水，其中硅烷偶联剂：乙醇：水的重量比为1:11:1；
所述烘干温度为80-120℃，时间为1-2h。
其中，步骤S5中：
化学气相沉积中所采用的原料为H2和CH4，H2的重量份数为3-5，CH4的重量份数为1-2。
其中，步骤S5中：
沉积温度为800-1000℃，沉积时间为16-20h，沉积气压为3-6KPa。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种根据上述方法制备的具有%20CVD金刚石涂层的碳化硅基。
本发明实施例先用碱性溶液处理碳化硅基体，增加碳化硅基体表面粗糙度，提高基体与涂层接触面积，提供金刚石膜的形核位点，从而增加形核密度，增加了膜基结合力。然后通过硅烷偶联剂改性碳化硅基体，增加碳化硅基体表面活性官能团数目，提高基体表面能，更利于形核，进一步增强了膜基结合力。
上述说明仅是本发明实施例技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明实施例的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明实施例的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的示例性实施例。应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供了一种碳化硅基CVD金刚石涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、基体预处理：将碳化硅基体打磨，抛光，洗涤，烘干；
S2、酸处理：将预处理后的碳化硅基体置于盐酸溶液中进行超声清洗，取出后用去离子水清洗干净；
S3、碱处理：将酸处理后的碳化硅基体置于氢氧化钠溶液中，加热碱煮，然后用去离子水清洗并烘干；
S4、硅烷偶联剂改性：将碱处理后的碳化硅基体浸渍在硅烷偶联剂溶液中接枝24h，后烘干。
S5、涂层的制备：将改性处理后的碳化硅基体置于化学气相沉积炉中，通入H2和CH4，沉积金刚石涂层。
步骤S1中：
所述打磨选用1500#砂纸；
所述抛光选用DSM80-100抛光机；
所述洗涤用无水乙醇超声清洗15-30min，以去除碳化硅基体上的有机物或无机物杂质；
所述烘干温度为80-120℃，时间为1-2h。
步骤S2中：
所述盐酸溶液的浓度为10-30％，超声清洗时间为10-40min。
步骤S2中：
所述盐酸溶液的浓度为20％，超声清洗时间为10-30min。
步骤S3中：
所述氢氧化钠溶液的浓度为1-3mol/L；
所述加热碱煮温度为80℃，时间为2-4h；
烘干温度为80-120℃，时间为0.5-1h。
步骤S3中：
所述氢氧化钠溶液的浓度为2mol/L；
所述加热碱煮温度为80℃，时间为2-4h；
烘干温度为80-120℃，时间为0.5-1h。
步骤S4中：
所述硅烷偶联剂为KH550，所述硅烷偶联剂溶液包括硅烷偶联剂、乙醇和水，其中硅烷偶联剂：乙醇：水的重量比为1:11:1；
所述烘干温度为80-120℃，时间为1-2h。
步骤S5中：
化学气相沉积中所采用的原料为H2和CH4，H2的重量份数为3-5，CH4的重量份数为1-2。
步骤S5中：
沉积温度为800-1000℃，沉积时间为16-20h，沉积气压为3-6KPa。
本发明实施例还提供了根据上述实施例所述的方法制备的具有CVD金刚石涂层的碳化硅基。
本发明实施例先用碱性溶液处理碳化硅基体，增加碳化硅基体表面粗糙度，提高基体与涂层接触面积，提供金刚石膜的形核位点，从而增加形核密度，增加了膜基结合力。然后通过硅烷偶联剂改性碳化硅基体，增加碳化硅基体表面活性官能团数目，提高基体表面能，更利于形核，进一步增强了膜基结合力。
此外，本发明采用热丝CVD法沉积金刚石涂层，工艺设备简单，成膜速度快，操作简单，成本较低，工艺成熟，且可以形成均匀致密平整的涂层。在碳化硅陶瓷材料上沉积CVD金刚石薄膜不但可以填补陶瓷材料表面的缺陷还能提高其表面硬度、降低摩擦系数、提高耐磨耐蚀性能。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。除特别说明以外，实施例中的试验条件和方法均采用本领域常规条件和方法进行。
实施例1
将碳化硅基体用1500#砂纸打磨，用DSM80-100抛光机抛光，用无水乙醇超声清洗30min后烘干，烘干温度为80℃，时间为1h。
将样品置于浓度为20％的盐酸溶液中超声清洗30min，温度为30℃；酸洗后用去离子水超声清洗。
将样品置于浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中碱煮2h，温度为80℃；碱煮后烘干，温度为80℃，时间为30min。
配置硅烷偶联剂溶液，称取2g硅烷偶联剂、2g水、22g无水乙醇混合，超声清洗30min，确保PH值在9-10之间；待硅烷偶联剂水解后，将碳化硅基体置于配好的溶液中，接枝24h；后置于烘箱中，烘干温度为80℃，时间为1h。
将改性后的碳化硅基体置于化学气相沉积炉中，通入H2和CH4，H2和%20CH4的重量份数比为4:1，沉积温度为800℃，沉积时间为20h，沉积气压为%206KPa。
得到具有CVD金刚石涂层的碳化硅基。
实施例2
将碳化硅基体用1500#砂纸打磨，用DSM80-100抛光机抛光，用无水乙醇超声清洗30min后烘干，烘干温度为80℃，时间为1h。
将样品置于浓度为30％的盐酸溶液中超声清洗30min，温度为30℃；酸洗后用去离子水超声清洗。
将样品置于浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中碱煮2h，温度为80℃；碱煮后烘干，温度为80℃，时间为30min。
配置硅烷偶联剂溶液，称取2g硅烷偶联剂、2g水、22g无水乙醇混合，超声清洗30min，确保PH值在9-10之间；待硅烷偶联剂水解后，将碳化硅基体置于配好的溶液中，接枝24h；后烘干，烘干温度为80℃，时间为1h。
将改性后的碳化硅基体置于化学气相沉积炉中，通入H2和CH4，H2和%20CH4的重量份数比为4:1，沉积温度为800℃，沉积时间为20h，沉积气压为%206KPa。
得到具有CVD金刚石涂层的碳化硅基。
实施例3
将碳化硅基体用1500#砂纸打磨，用DSM80-100抛光机抛光，用无水乙醇超声清洗30min后烘干，烘干温度为80℃，时间为1h。
将样品置于浓度为10％的盐酸溶液中超声清洗30min，温度为30℃；酸洗后用去离子水超声清洗。
将样品置于浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中碱煮2h，温度为80℃；碱煮后烘干，温度为80℃，时间为30min。
配置硅烷偶联剂溶液，称取2g硅烷偶联剂、2g水、22g无水乙醇混合，超声清洗30min，确保PH值在9-10之间；待硅烷偶联剂水解后，将碳化硅基体置于配好的溶液中，接枝24h；后烘干，烘干温度为80℃，时间为1h。
将改性后的碳化硅基体置于化学气相沉积炉中，通入H2和CH4，H2和%20CH4的重量份数比为4:1，沉积温度为800℃，沉积时间为20h，沉积气压为%206KPa。
得到具有CVD金刚石涂层的碳化硅基。
实施例4
将碳化硅基体用1500#砂纸打磨，用DSM80-100抛光机抛光，用无水乙醇超声清洗30min后烘干，烘干温度为80℃，时间为1h。
将样品置于浓度为20％的盐酸溶液中超声清洗30min，温度为30℃；酸洗后用去离子水超声清洗。
将样品置于浓度为3mol/L的氢氧化钠溶液中碱煮2h，温度为80℃；碱煮后烘干，温度为80℃，时间为30min。
配置硅烷偶联剂溶液，称取2g硅烷偶联剂、2g水、22g无水乙醇混合，超声清洗30min，确保PH值在9-10之间；待硅烷偶联剂水解后，将碳化硅基体置于配好的溶液中，接枝24h；后烘干，烘干温度为80℃，时间为1h。
将改性后的碳化硅基体置于化学气相沉积炉中，通入H2和CH4，H2和%20CH4的重量份数比为4:1，沉积温度为800℃，沉积时间为20h，沉积气压为%206KPa。
得到具有CVD金刚石涂层的碳化硅基。
实施例5
将碳化硅基体用1500#砂纸打磨，用DSM80-100抛光机抛光，用无水乙醇超声清洗30min后烘干，烘干温度为80℃，时间为1h。
将样品置于浓度为20％的盐酸溶液中超声清洗30min，温度为30℃；酸洗后用去离子水超声清洗。
将样品置于浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液中碱煮2h，温度为80℃；碱煮后烘干，温度为80℃，时间为30min。
配置硅烷偶联剂溶液，称取2g硅烷偶联剂、2g水、22g无水乙醇混合，超声清洗30min，确保PH值在9-10之间；待硅烷偶联剂水解后，将碳化硅基体置于配好的溶液中，接枝24h；后烘干，烘干温度为80℃，时间为1h。
将改性后的碳化硅基体置于化学气相沉积炉中，通入H2和CH4，H2和%20CH4的重量份数比为4:1，沉积温度为800℃，沉积时间为20h，沉积气压为%206KPa。
得到具有CVD金刚石涂层的碳化硅基。
实施例6
将碳化硅基体用1500#砂纸打磨，用DSM80-100抛光机抛光，用无水乙醇超声清洗10min后烘干，烘干温度为100℃，时间为1.5h。
将样品置于浓度为30％的盐酸溶液中超声清洗40min，温度为30℃；酸洗后用去离子水超声清洗。
将样品置于浓度为3mol/L的氢氧化钠溶液中碱煮4h，温度为80℃；碱煮后烘干，温度为80℃，时间为1h。
配置硅烷偶联剂溶液，称取2g硅烷偶联剂、2g水、22g无水乙醇混合，超声清洗30min，确保PH值在9-10之间；待硅烷偶联剂水解后，将碳化硅基体置于配好的溶液中，接枝24h；后烘干，烘干温度为120℃，时间为2h。
将改性后的碳化硅基体置于化学气相沉积炉中，通入H2和CH4，H2和%20CH4的重量份数比为5:2，沉积温度为1000℃，沉积时间为20h，沉积气压为%204KPa。
得到具有CVD金刚石涂层的碳化硅基。
实施例7
将碳化硅基体用1500#砂纸打磨，用DSM80-100抛光机抛光，用无水乙醇超声清洗15min后烘干，烘干温度为120℃，时间为2h。
将样品置于浓度为10％的盐酸溶液中超声清洗10min，温度为30℃；酸洗后用去离子水超声清洗。
将样品置于浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液中碱煮2h，温度为80℃；碱煮后烘干，温度为80℃，时间为30min。
配置硅烷偶联剂溶液，称取2g硅烷偶联剂、2g水、22g无水乙醇混合，超声清洗30min，确保PH值在9-10之间；待硅烷偶联剂水解后，将碳化硅基体置于配好的溶液中，接枝24h；后烘干，烘干温度为80℃，时间为1h。
将改性后的碳化硅基体置于化学气相沉积炉中，通入H2和CH4，H2和%20CH4的重量份数比为3:1，沉积温度为800℃，沉积时间为16h，沉积气压为%203KPa。
得到具有CVD金刚石涂层的碳化硅基。
实施例8
将碳化硅基体用1500#砂纸打磨，用DSM80-100抛光机抛光，用无水乙醇超声清洗20min后烘干，烘干温度为90℃，时间为1.2h。
将样品置于浓度为15％的盐酸溶液中超声清洗20min，温度为30℃；酸洗后用去离子水超声清洗。
将样品置于浓度为1.5mol/L的氢氧化钠溶液中碱煮3h，温度为80℃；碱煮后烘干，温度为100℃，时间为48min。
配置硅烷偶联剂溶液，称取2g硅烷偶联剂、2g水、22g无水乙醇混合，超声清洗30min，确保PH值在9-10之间；待硅烷偶联剂水解后，将碳化硅基体置于配好的溶液中，接枝24h；后烘干，烘干温度为100℃，时间为1.5h。
将改性后的碳化硅基体置于化学气相沉积炉中，通入H2和CH4，H2和%20CH4的重量份数比为3.5:1.5，沉积温度为900℃，沉积时间为18h，沉积气压为5KPa。
得到具有CVD金刚石涂层的碳化硅基。
实验例
根据划痕法测试实施例1-8和对比例，划痕测试针尖为直径100um的洛氏压头。划痕长度为3mm，起始压力为1N，随后逐渐增加。结果如表1所示。
表1
从上述结果可以看出，采用本发明实施例1-8的方法制备的具有CVD金刚石涂层的碳化硅基，与现有的不进行酸处理、碱处理和硅烷偶联剂改性的方法制备的具有CVD金刚石涂层的碳化硅基(对比例)相比，膜基结合力更好。
