一种氮化硼涂层蒸发舟及其制备方法

技术领域

本发明涉及氮化硼技术领域，特别是涉及一种氮化硼涂层蒸发舟及其制备方法。

背景技术

真空蒸发镀铝技术用于制造金属铝薄膜，其在多种工业用品中具有大量应用。真空蒸发镀铝过程中会使用消耗性器皿蒸发舟，由于金属铝活性很大，因此用于制备蒸发舟的材料必须能够耐受铝液的腐蚀。

现有技术中通常以氯化硼或溴化硼为硼源，在氨气和氮气的混合气氛下，通过化学气相沉积法在石墨舟表面沉积热解氮化硼涂层来制备石墨/氮化硼涂层蒸发舟。但是发明人发现，上述制备方法的反应原料氨气是一种具有刺激性气味的有毒气体，且与空气混合后遇火容易燃烧，不利于环保和生产安全，反应产物中有氢卤酸，对设备的耐盐酸腐蚀性能提出更高的要求，导致设备购买和维护成本也较高；另一方面存在生产效率低的问题，导致蒸发舟生产成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化硼涂层蒸发舟及其制备方法，以提供一种更加环保的氮化硼涂层蒸发舟制备工艺。具体技术方案如下：

本发明的第一方面提供了一种氮化硼涂层蒸发舟的制备方法，所述方法包括：

将硼源置于氮化硼材质的反应室底部，将石墨蒸发舟基体置于所述反应室并使石墨蒸发舟基体与硼源之间保持20～50mm的距离，其中，所述硼源选自三氧化二硼和硼酸中的任一种；

将反应室置于化学气相沉积炉，将化学气相沉积炉抽真空后升温至500～700℃后通入氮气，使化学气相沉积炉内保持正压并在反应中持续通入氮气；

使化学气相沉积炉升温至反应温度1750～1950℃，保温时间为1～8h，在石墨蒸发舟基体上沉积生长氮化硼涂层。

在本发明的一种实施方案中，硼源添加量与石墨蒸发舟基体表面积之间的关系为0.2～0.5g/cm

在本发明的一种实施方案中，化学气相沉积炉的升温速率为1～10℃/min。

在本发明的一种实施方案中，所述反应温度为1800～1900℃。

在本发明的一种实施方案中，所述保温时间为3～6h。

在本发明的一种实施方案中，通入氮气后，维持化学气相沉积炉内部压强大于外界环境压强1～1000Pa。

在本发明的一种实施方案中，多个石墨蒸发舟基体在反应室中的间隔为2～10mm。

在本发明的一种实施方案中，每个反应室中设置的蒸发舟基体数量为3～50个。

在本发明的一种实施方案中，多个反应室在化学气相沉积炉中堆叠设置。

本发明的第二方面提供了一种根据上述任一实施方案所述的制备方法制得的氮化硼涂层蒸发舟，蒸发舟的氮化硼涂层的厚度为0.15～0.3mm，导热系数为30～35W/M.K，密度为2.0～2.2g/cm

本发明有益效果：

本发明提供的一种氮化硼涂层蒸发舟及其制备方法，使用三氧化二硼或硼酸作为硼源，使用氮气作为氮源，并通过控制反应温度、反应时间、内部压强等工艺参数，在石墨蒸发舟基体表面沉积氮化硼涂层。与现有的基于氯化硼和氨气作为原料的蒸发舟氮化硼涂层制备工艺相比，本发明的原料无毒不易燃、安全易得，制备工艺更加环保和安全。且制备工艺易于控制，反应室可以成批放置在化学气相沉积炉中，生产效率高，更加适合大批量、规模化的生产。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施方案的反应室的分解示意图；

图2为本发明一种实施方案的石墨蒸发舟基体的结构示意图；

图3为本发明一种实施方案中石墨蒸发舟基体在反应室中的放置方式示意图；

图4为本发明另一种实施方案的反应室的分解示意图；

图5为本发明另一种实施方案的反应室的结构示意图；

图6为本发明实施例2制备的石墨蒸发舟基体表面的氮化硼涂层的X射线衍射(XRD)曲线。

图中，1.反应室，2.中框，3.上盖板，4.下底板，5.石墨蒸发舟基体，6.中间板，20.卡槽，41.凸台，51，凹槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员基于本发明所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种氮化硼涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：

将硼源置于氮化硼材质的反应室底部，将石墨蒸发舟基体置于所述反应室并使石墨蒸发舟基体与硼源之间保持20～50mm的距离，其中，所述硼源选自三氧化二硼和硼酸中的任一种。

将反应室置于化学气相沉积炉，将化学气相沉积炉抽真空后升温至500～700℃后通入氮气，使化学气相沉积炉内保持正压并在反应中持续通入氮气。

使化学气相沉积炉升温至反应温度1750～1950℃，保温时间为1～8h，在石墨蒸发舟基体上沉积生长氮化硼涂层。

发明人研究发现，本发明的氮化硼涂层蒸发舟制备方法中，采用三氧化二硼(B

本发明在制备氮化硼涂层时，控制反应温度为1750～1950℃，优选为1800～1900℃，保温时间为1～8h，优选为3～6h。不限于任何理论，当反应物温度过低时(例如低于1750℃)，氮化硼涂层沉积效果不好，当反应温度过高时(例如高于1950℃)，能源消耗过大，导致生产成本提高。通过控制反应温度和保温时间在上述范围内，能够在石墨蒸发舟基体上沉积得到厚度均匀、性能优良的氮化硼涂层，同时生产成本可控，更有利于工业化生产。

本发明对化学气相沉积炉的型号不做具体限定，例如可以是市售的化学气相沉积炉，只要能够满足本发明要求即可。

本发明使用的反应室为氮化硼反应室，即氮化硼材质的反应室。发明人意外地发现，通过将氮化硼材质的反应室作为石墨蒸发舟基体的反应容器，石墨蒸发舟基体表面沉积的氮化硼涂层更加均匀致密，因此所制得的石墨蒸发舟具有更好的性能。

本发明在沉积氮化硼涂层过程中，通过将石墨蒸发舟基体置于所述反应室并使石墨蒸发舟基体与硼源之间保持20～50mm的距离，能够使氮化硼更好地沉积在石墨蒸发舟基体表面。在一种实施方案中，可以在反应室的底部，距离石墨蒸发舟基体20～50mm平铺一层硼源，这种平铺的设置方式能够进一步提高硼源与氮气的接触面积，从而提高反应速率。

本发明在进行化学气相沉积前，可以先对化学气相沉积炉抽真空，以排出其中的空气，避免空气中的氧气等气体影响沉积反应。抽真空后再通入氮气可以节约氮气的使用量，降低生产成本。当然，也可以直接向化学气相沉积炉通入氮气，只要使得反应过程中化学气相沉积炉内保持正压即可。

发明人发现，对化学气相沉积炉抽真空后升温至500～700℃后再通入氮气，能够使氮化硼更好地沉积在石墨蒸发舟基体表面，这可能是化学气相沉积炉升温至500～700℃后能够预热通入的氮气，更有利于氮化硼沉积在石墨蒸发舟基体表面。

在本发明的一种实施方案中，硼源添加量与石墨蒸发舟基体表面积之间的关系为0.2～0.5g/cm

本发明对化学气相沉积炉的升温速率没有特别限制，只要能够达到预定反应温度，满足本发明要求即可。在本发明的一种实施方案中，化学气相沉积炉的升温速率为1～10℃/min，优选为5～8℃/min。

本发明所说的正压可以指微正压。在本发明的一种实施方案中，具体可以是通过持续通入氮气，维持反应器内部压强大于外界环境压强1～1000Pa。通过维持反应器内部正压，能够有效避免外界空气进入沉积炉而影响氮化硼沉积效果。

在本发明的一种实施方案中，反应室1的结构如图1所示，包括中框2、上盖板3和下底板4，中框2内壁设置有若干卡槽20，用于固定石墨蒸发舟基体5。下底板4的四周边缘设置有与中框2底部相适配的凸台41，从而使中框2的底部固定在凸台41处。本发明对石墨蒸发舟基体5的形状没有特别限制，例如可以是如图2所示的矩形结构，或者其他结构，该石墨蒸发舟基体5的上表面设置有凹槽51，用于盛放铝。在制备氮化硼涂层过程中，可以如图3所示将石墨蒸发舟基体5倒扣放于反应室中，使凹槽51向下，更有利于氮化硼涂层均匀沉积在石墨蒸发舟基体5表面。

在本发明的一种实施方案中，多个石墨蒸发舟基体在反应室中的间隔为2～10mm。通过控制石墨蒸发舟基体间隔在上述范围内，能够使蒸发舟基体在反应室中排列不会过于紧密或稀疏，提高了化学沉积炉的空间利用率，同时更适合大批量生产具有氮化硼涂层的蒸发舟。

在本发明的一种实施方案中，每个反应室中设置的石墨蒸发舟基体数量为3～50个，相应地，则中框2内壁设置的卡槽20数量为30～50对。通过控制每个反应室中蒸发舟基体的数量，使蒸发舟基体在反应室中排列不会过于紧密或稀疏，提高了化学沉积炉的空间利用率，同时更适合大批量生产具有氮化硼涂层的蒸发舟。

在本发明的一种实施方案中，如图4和图5所示，多个反应室1还可以在化学气相沉积炉中堆叠设置，每个反应室1通过中间板6隔开，两层反应室摞起来形成一垛，一炉内放置若干垛。通过上述设置方法，在一次制备中能够生产数百甚至数千个具有涂层的蒸发舟，进一步提高了生产效率。

本发明提供的一种氮化硼涂层蒸发舟及其制备方法，使用三氧化二硼或硼酸作为硼源，使用氮气作为氮源，并通过控制反应温度、反应时间、内部压强等工艺参数，在石墨蒸发舟基体表面沉积氮化硼涂层。与现有的基于氯化硼和氨气作为原料的蒸发舟氮化硼涂层制备工艺相比，本发明的原料无毒不易燃、安全易得，制备工艺更加环保和安全。且制备工艺易于控制，反应室可以成批放置在化学气相沉积炉中，生产效率高，更加适合大批量、规模化的生产。

本发明还提供了一种由上述制备方法制得的氮化硼涂层蒸发舟，该氮化硼涂层蒸发舟表面的氮化硼涂层的导热系数为30～35W/M.K，密度为2.0～2.2g/cm

本发明对氮化硼涂层的厚度没有特别限制，只要能够满足本发明要求即可。在本发明的一种实施方案中，氮化硼涂层蒸发舟表面的氮化硼涂层的厚度为0.15～0.3mm。

本发明采用三氧化二硼或硼酸为硼源、氮气为氮源，原料成本低，采用独特的组合堆叠反应室，大大提高单炉蒸发舟产量，适合批量生产，能大幅降低成本，使制造石墨/热解氮化硼涂层蒸发舟的成本能够低于陶瓷蒸发舟。

以下，举出实施例及对比例来对本申请的实施方式进行更具体地说明。各种的试验及评价按照下述的方法进行。另外，只要无特别说明，“份”、“％”为质量基准。

实施例1

<原料的加入>

将氮化硼(B

将反应室置于化学气相沉积炉，将化学气相沉积炉抽真空后升温至500℃后通入氮气，使化学气相沉积炉内保持正压并在反应中持续通入氮气。

<氮化硼涂层的生长>

使化学气相沉积炉升温至反应温度1750℃，保温时间为8h，在石墨蒸发舟基体上沉积生长氮化硼涂层。

实施例2

在<原料的加入>、<氮化硼涂层的生长>中，按照表1所示数据调整相关制备参数以外，其余与实施例1相同。

实施例3

在<原料的加入>、<氮化硼涂层的生长>中，按照表1所示数据调整相关制备参数以外，其余与实施例1相同。

实施例4

在<原料的加入>、<氮化硼涂层的生长>中，按照表1所示数据调整相关制备参数以外，其余与实施例1相同。

实施例5

在<原料的加入>、<氮化硼涂层的生长>中，按照表1所示数据调整相关制备参数以外，其余与实施例1相同。

实施例6

在<原料的加入>、<氮化硼涂层的生长>中，按照表1所示数据调整相关制备参数以外，其余与实施例1相同。

表1实施例1-6的制备数据

各实施例制备的石墨蒸发舟表面氮化硼涂层的性能参数如表2所示

表2实施例1-6的石墨蒸发舟表面氮化硼涂层性能参数

从实施例1-6可以看出，石墨蒸发舟基体与硼源距离、硼源添加量、CVD炉预热温度、反应温度和保温时间通常影响石墨蒸发舟基体表面的氮化硼涂层沉积厚度，只要使得上述制备参数在本申请的范围内，就能够在石墨蒸发舟基体表面得到厚度合适、导热性能优异、致密的氮化硼涂层。本发明的制备方法无需使用有毒的NH

图6为本发明实施例2在石墨蒸发舟基体沉积得到的氮化硼涂层的XRD曲线。通过图6可看出，产物在26.8°、55.1°附近有衍射峰出现，通过与标准物质卡片对照，结合图6可知，本发明石墨蒸发舟基体表面的氮化硼涂层为纯六方BN相，没有检测到氧化硼，与石墨(C)晶体结构类似。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。