一种光伏炉管用耐高温抗腐蚀碳化硅复合涂层及其制备方法与流程

本发明属于化学气相沉积镀覆，具体涉及一种光伏炉管用耐高温抗腐蚀碳化硅复合涂层及其制备方法，该复合涂层采用脉冲化学气相沉积工艺制备，用于保护半导体晶片生产过程中的核心热工设备。

背景技术：

1、光伏炉管作为太阳能电池生产过程中的关键热处理设备，其长期处于1400℃以上高温及hcl、h2o、o2和硅蒸汽等腐蚀性气氛中，导致炉管表面极易发生氧化、腐蚀及剥落，严重制约设备寿命与产品质量。

2、现有技术主要通过在基体表面制备碳化硅陶瓷涂层以提升耐温及耐腐蚀性能。期刊文献如强新发等人在《中国材料进展》中指出，现有碳化硅涂层多采用cvd、包埋或热喷涂方法制备，虽可通过多层结构设计提高热稳定性，但普遍采用连续cvd工艺，导致涂层内部孔隙率呈均匀分布，无法实现对微观结构的梯度调控。戚武彬在《中国有色金属学报（英文版）》上发表的论文《c/sic复合材料中碳化硅及其改性涂层的研究进展》进一步表明，现有改性策略主要集中于多层结构与晶须增强，同样未涉及脉冲cvd工艺的应用。此外，程皓在《炭素技术》上发表的论文《碳化硅涂层在单晶硅用炭/炭热场材料中的应用及研究进展》中提到，由于碳化硅与石英或石墨基体之间存在较大的热膨胀系数差异，现有涂层在热循环过程中因应力匹配性差而易产生裂纹，导致剥落。

3、公开号为cn115073212b的专利公开了一种硅酸铝-碳化硅耐高温涂层，但其采用有机前驱体热解路线，存在孔隙率过高且致密性不足的缺陷。公开号为cn118146021a的专利针对的是炭/炭-碳化硅梯度复合材料整体结构，而非石英炉管表面的防护涂层。公开号为cn121250330a的专利则公开了一种依赖sic纳米线内层的复合涂层，该技术路径通过异质纳米结构缓解热应力，与本申请通过脉冲cvd工艺调控孔隙率梯度的方案存在本质区别。

4、综上所述，现有技术存在以下显著缺陷：首先，工艺上受限于连续沉积模式，无法精确控制涂层微观结构沿厚度方向的变化，难以实现孔隙率的梯度分布；其次，材料热物理性能不匹配，碳化硅与石英基体间巨大的热膨胀系数差异导致单层均匀涂层在高温循环后结合力急剧下降；再次，性能指标不足，现有单层sic涂层在1400℃氧化100小时后增重通常大于等于2mg/cm2，结合强度普遍低于20mpa；最后，部分方案依赖纳米线或异质界面过渡，存在界面长期稳定性风险。因此，亟需开发一种新型涂层结构及制备方法以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，克服现有sic涂层与光伏炉管基体热应力匹配性差、涂层致密性不足的缺陷，提供一种光伏炉管用耐高温抗腐蚀碳化硅复合涂层。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种光伏炉管用耐高温抗腐蚀碳化硅复合涂层，涂层为单一sic材质层，直接形成于光伏炉管基体表面，所述涂层具有微结构梯度。

3、进一步的技术方案是，微结构梯度为孔隙率梯度，涂层表层孔隙率≤3%，涂层内层孔隙率为5%~8%。

4、进一步的技术方案是，涂层为由β-sic晶须增强sic构成的单一材质层，涂层与基体的结合强度≥25mpa。

5、进一步的技术方案为，涂层结合强度≥30mpa。

6、本发明还提供的技术方案为， 一种制备所述复合涂层的方法，包括以下步骤：采用化学气相沉积法在基体表面沉积sic涂层，在涂层中形成微结构梯度。

7、利用脉冲cvd工艺在单一sic涂层内部构建孔隙率梯度结构的技术方案，摒弃了复杂的异质过渡层设计。涂层为由β-sic晶须增强sic构成的单一材质层，直接形成于光伏炉管基体表面，不含成分不同的异质过渡层，为β-sic晶须增强sic涂层，内部沿厚度方向自然形成梯度孔隙分布。表层致密，孔隙率不超过百分之三，能够有效阻挡腐蚀介质渗透。所述孔隙率梯度通过脉冲化学气相沉积过程中关周期的渐变调节实现，而非设置成分不同的异质过渡层。

8、进一步的技术方案为，化学气相沉积法为脉冲化学气相沉积法，脉冲化学气相沉积的工艺参数为：前驱体为甲基三氯硅烷，载气为h2，甲基三氯硅烷与h2的流量比为1:5~1:10，沉积温度为1000~1200℃，压力为5~10torr，开周期为20s，关周期按以下方式渐变：

9、第1~40个循环，关周期为50~60s；

10、第41~80个循环，关周期为35~45s；

11、第81个循环以后，关周期为30~40s，

12、沉积循环总次数为80~150次。

13、制备工艺通过在沉积过程中逐渐调控脉冲关周期时长：沉积第1～40个脉冲循环采用50～60s的关周期，第41～80个循环采用35～45s的关周期，第81个循环以后采用30～40s的关周期，从而在涂层厚度方向上形成孔隙率梯度；脉冲开周期保持20s不变。随后在1200~1400℃氩气气氛下进行热处理。

14、进一步的技术方案为，关周期在第41~80循环为45s，第81循环以后为30s，沉积循环次数为120次。

15、进一步的技术方案为，热处理温度为1200~1400℃，保温时间为1~2h，保护气氛为氩气。

16、本发明的优点和有益效果在于：

17、与现有技术相比，该方案不再依赖连续供气，而是通过周期性开关控制沉积过程。涂层孔隙率由均匀分布转变为内松外密的梯度分布，热应力缓冲机制从依赖异质过渡层或纳米线转为依靠自身孔隙率梯度，工艺控制精度显著提升。

18、无需引入异质过渡层，避免了复杂化学反应过渡层设计及其带来的异质界面长期服役失效风险。内层疏松结构可在热循环过程中有效吸收应力，经1400℃至室温五十次热循环后仍无剥落。表层致密结构赋予涂层优异的抗高温氧化与耐腐蚀性能，1400℃氧化一百小时后增重小于0.65mg/cm2，性能明显优于现有技术。涂层与基体结合牢固，结合强度不低于30mpa。工艺可控性强，通过调节脉冲周期与循环次数即可精准调控涂层微观结构，满足不同工况需求。

19、通过关周期时长的渐变调节，可精确控制涂层沿厚度方向的孔隙率梯度分布，实现内层疏松缓冲热应力、表层致密阻挡腐蚀介质的功能协同。

1.一种光伏炉管用耐高温抗腐蚀碳化硅复合涂层，其特征在于，所述涂层为单一sic材质层，直接形成于光伏炉管基体表面，所述涂层具有微结构梯度。

2.根据权利要求1所述的一种光伏炉管用耐高温抗腐蚀碳化硅复合涂层，其特征在于，所述微结构梯度为孔隙率梯度，涂层表层孔隙率≤3%，涂层内层孔隙率为5%~8%。

3.根据权利要求2所述的一种光伏炉管用耐高温抗腐蚀碳化硅复合涂层，其特征在于，所述涂层为由β-sic晶须增强sic构成的单一材质层，涂层与基体的结合强度≥25mpa。

4.根据权利要求3所述的一种光伏炉管用耐高温抗腐蚀碳化硅复合涂层，其特征在于，所述涂层结合强度≥30mpa。

5.一种制备如权利要求1所述复合涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：采用化学气相沉积法在基体表面沉积sic涂层，在涂层中形成微结构梯度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，关周期在第41~80循环为45s，第81循环以后为30s，沉积循环次数为120次。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，热处理温度为1200~1400℃，保温时间为1~2h，保护气氛为氩气。