一种富10B碳化硼溅射靶材及其制备方法与应用

摘要

本发明提供一种富10B碳化硼溅射靶材及其制备方法与应用。该溅射靶材由以下质量百分比的原料制成：富10B碳化硼粉90～98％，富10B的硼粉和碳粉的混合粉2～10％，各组分质量百分比之和为100％；所述混合粉中富10B的硼粉和碳粉的摩尔比为1‑12:1；制备方法如下：将富10B碳化硼粉、富10B的硼粉和碳粉的混合粉混合，加入醇溶剂，球磨；然后经干燥、破碎、过筛，放电等离子烧结，超声洗涤、干燥即得。本发明制备的碳化硼溅射靶材具有高纯度、高致密度、成分与组织结构均匀、晶粒尺寸细小等特点；本发明的方法工艺相对简单，成本较低，所得材料可以作为在玻璃、金属、塑料等表面溅射薄膜用的靶材。

权利要求

1.一种富10B碳化硼溅射靶材，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：富10B碳化硼粉92 98%，富10B的硼粉和碳粉的混合粉2 8%，各组分质量百分比之和为100%；所述混合粉中~ ~富10B的硼粉和碳粉的摩尔比为4:1；所述富10B碳化硼粉D50为0.5-5 μm，纯度＞99.9%， 10B丰度为60-95%；所述富10B的硼粉D50为0.5-4.0 μm，纯度＞99.9%，10B丰度为60-96%；所述碳粉D50为0.5-4.0 μm，纯度＞99.9%；

所述的富10B碳化硼溅射靶材的制备方法，包括步骤：（1）将富10B碳化硼粉、富10B的硼粉和碳粉的混合粉混合，得混合料；加入醇溶剂，球磨10

30分钟；然后经干燥、破碎、过筛，得造粒粉；

~

（2）将步骤（1）得到的造粒粉于1700-2000℃、30-70Mpa下，真空或保护气体条件下，放电等离子烧结5-30分钟，得烧结体；经超声洗涤、干燥即得富10B碳化硼溅射靶材。

2.根据权利要求1所述的富10B碳化硼溅射靶材，其特征在于，步骤（1）中，包括以下条件中的一项或多项：a、所述醇溶剂为无水甲醇；

b、所述混合料与醇溶剂的质量比为1:（2 5）；

~

c、所述球磨是于碳化硼陶瓷球磨罐中，以碳化硼陶瓷为磨球进行的；

d、所述干燥是于40-50℃下，真空或惰性气体条件下进行干燥；

e、所述过筛为过40或60目的标准筛。

3.根据权利要求1所述的富10B碳化硼溅射靶材，其特征在于，步骤（2）中，包括以下条件中的一项或多项：a、所述放电等离子烧结是于石墨坩埚内进行，并将造粒粉压实；所述石墨坩埚内表面涂覆有氮化硼层碳；

b、所述放电等离子烧结温度为1750-1950℃，压力为40-60MPa，放电等离子烧结7-20分钟；

c、所得到的烧结体经磨去表面粘附的氮化硼、无水甲醇超声洗涤、真空干燥得富10B碳化硼溅射靶材。

4.如权利要求1-3任一项所述的富10B碳化硼溅射靶材作为溅射薄膜用的靶材应用于玻璃、金属、塑料表面。

说明书

10

一种富 B碳化硼溅射靶材及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种富10B碳化硼溅射靶材及其制备方法与应用，属于无机非金属材料技术领域。

背景技术

[0002] 碳化硼具有高硬度、高模量、低密度(2.52g/cm3)、耐磨性好、抗氧化性与耐酸碱性强以及良好的中子吸收性能等特点，被广泛用作防弹材料、防辐射材料、耐磨材料、切割研磨工具以及原子反应堆控制和屏蔽材料等。碳化硼的中子吸收能力主要依赖于碳化硼中10B的含量。硼有两种同位素，即：10B和11B。在天然硼原料中，10B只占18％～19.5％，其余为11B。10B的中子俘获截面高，俘获能谱宽，对热中子的微观吸收截面为3800Barn，仅次于钆、钐、镉等少数几种元素。而且富10B碳化硼吸收中子后不产生放射性同位素，二次射线能量低，是非常重要的中子吸收和屏蔽材料。

[0003] 在玻璃上溅射一薄层富10B碳化硼薄膜，既能屏蔽中子具有防护作用，同时还能保10
持玻璃的透光性，作为中子屏蔽材料具有广阔的应用前景。溅射富 B碳化硼薄膜需要高质量的富10B碳化硼靶材。高质量靶材一般要求具有高纯度、高致密度、成分与组织结构均匀、晶粒尺寸细小等特点。然而，碳化硼是共价键很强的陶瓷材料，共价键占90％以上，是一种极难烧结的陶瓷材料，常压下于2200℃烧结通常只能获得低于80％的相对密度。

[0004] 目前，关于制备高致密度、富10B碳化硼材料已有报道，如中国专利文献CN101734918A 公开了一种致密富10B碳化硼陶瓷及其制备方法，该致密富10B碳化硼陶瓷由以下质量份的原料组分制得:富10B碳化硼粉体84～95份，氧化铕1～6份，氧化钐0～4份，氧化钆0～3份，氧化锆1～3份，氧化铝1～3份；将上述原料混合球磨，成型，烧结，最高烧结温度2000～2250℃。该发明通过加入氧化物作为烧结助剂促进致密化，制备了相对密度可达
98％的富10B碳化硼陶瓷；但是该陶瓷中含有5-16wt％的杂质，纯度较低，不能满足要求高纯度的应用。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的不足，本发明提供一种富10B碳化硼溅射靶材；本发明制备的富10B 碳化硼溅射靶材具有高纯度、高致密度、成分与组织结构均匀、晶粒尺寸细小等特点；可以作为在玻璃、金属、塑料等表面溅射薄膜用的靶材。

[0006] 本发明还提供一种富10B碳化硼溅射靶材的制备方法，本发明的方法工艺相对简10
单，成本较低；采用放电等离子烧结方法制备出高致密度富 B碳化硼材料。

[0007] 术语说明：

[0008] D50：中位径或中值粒径，是指粉体材料的累积粒度分布百分数达到50％时对应的粒径，用来表示粉体的平均粒径。

[0009] 10B丰度：10B原子数量占总的B原子数量的百分比。

[0010] 本发明的技术方案如下：

[0011] 一种富10B碳化硼溅射靶材，由以下质量百分比的原料制成：富10B碳化硼粉90～98％，富10B的硼粉和碳粉的混合粉2～10％，各组分质量百分比之和为100％；所述混合粉中富10B的硼粉和碳粉的摩尔比为1-12:1。

[0012] 根据本发明优选的，所述富10B碳化硼溅射靶材，由以下质量百分比的原料制成：富10B 碳化硼粉92～98％，富10B的硼粉和碳粉的混合粉2～8％，各组分质量百分比之和为
100％；所述混合粉中富10B的硼粉和碳粉的摩尔比为4:1。

[0013] 根据本发明优选的，所述富10B碳化硼粉D50为0.5-10.0μm，纯度＞99.9％，10B丰度10 10
为 45-98％。优选的，所述富 B碳化硼粉D50为0.5-5.0μm，B丰度为60-95％。

[0014] 根据本发明优选的，所述富10B的硼粉D50为0.2-8.0μm，纯度＞99.9％，10B丰度为45-98％。优选的，所述富10B的硼粉D50为0.5-4.0μm，10B丰度为60-96％。

[0015] 根据本发明优选的，所述碳粉D50为0.2-8.0μm，纯度＞99.9％。优选的，所述碳粉D50为 0.5-4.0μm。

[0016] 上述富10B碳化硼溅射靶材的制备方法，包括步骤：

[0017] (1)将富10B碳化硼粉、富10B的硼粉和碳粉的混合粉混合，得混合料；加入醇溶剂，球磨10～30分钟；然后经干燥、破碎、过筛，得造粒粉；

[0018] (2)将步骤(1)得到的造粒粉于1700-2000℃、30-70Mpa下，真空或保护气体条件下，放电等离子烧结5-30分钟，得烧结体；经超声洗涤、干燥即得富10B碳化硼溅射靶材。

[0019] 根据本发明优选的，步骤(1)中所述醇溶剂为无水甲醇。

[0020] 根据本发明优选的，步骤(1)中所述混合料与醇溶剂的质量比为1:(2～5)。

[0021] 根据本发明优选的，步骤(1)中所述球磨是于碳化硼陶瓷球磨罐中，以碳化硼陶瓷为磨球进行的。

[0022] 根据本发明优选的，步骤(1)中所述干燥是于40-50℃下，真空或惰性气体条件下进行干燥。

[0023] 根据本发明优选的，步骤(1)中所述保护气体为氩气、氮气或氦气；优选的，所述保护气体为氩气。

[0024] 根据本发明优选的，步骤(1)中所述过筛为过40或60目的标准筛。

[0025] 根据本发明优选的，步骤(2)中所述放电等离子烧结是于石墨坩埚内进行，并将造粒粉压实；所述石墨坩埚内表面涂覆有氮化硼层。石墨坩埚内表面涂抹氮化硼的目的是避免烧结过程中石墨坩埚向烧结体渗碳。

[0026] 根据本发明优选的，步骤(2)中所述放电等离子烧结温度为1750-1950℃，压力为 40-60MPa，放电等离子烧结7-20分钟。

[0027] 根据本发明优选的，步骤(2)中得到的烧结体经磨去表面粘附的氮化硼、无水甲醇10
超声洗涤、真空干燥得富 B碳化硼溅射靶材。

[0028] 上述富10B碳化硼溅射靶材作为溅射薄膜用的靶材应用于玻璃、金属、塑料表面。

[0029] 本发明的技术特点及有益效果如下：

[0030] 1、本发明采用富10B碳化硼粉、富10B的硼粉和碳粉为原料，其中的富10B的硼粉和碳10 10
粉在烧结过程中原位反应生成富 B碳化硼，并能够将配方中原有的富 B碳化硼粉结合起来，促进物质输运，促进烧结，提高目标产物的致密度，解决了单纯富10B碳化硼粉难以制备高致密度富10B碳化硼靶材的问题。

[0031] 2、本发明采用放电等离子烧结方法，其是一种快速烧结技术，能同时实现等离子活化、加热、加压，具有升温速率快、烧结时间短、烧结压力和气氛可控、抑制晶粒异常长大等优点，使本发明制备的靶材的晶粒尺寸细小。同时，本发明采用放电等离子烧结，不需要添加粘结剂作为成型助剂，减少了杂质的引入，有利于提高靶材的纯度；并且，原料只有三种，富10B的硼粉和碳粉最终转化为碳化硼，无其它杂质的引入，所制备得到的富10B碳化硼溅射靶材的纯度较高。

[0032] 3、本发明中放电等离子烧结条件，原料的比例以及原料的粒度等条件都会对目标产物的性能产生重要影响；本发明采用特定条件的放电等离子烧结方法，结合特定比例和粒度的原料才能制备得到本发明纯度高、致密度高、成分与组织结构均匀、晶粒尺寸细小的富10B 碳化硼靶材；本发明制备的富10B碳化硼能够满足作为溅射薄膜靶材应用的要求。

具体实施方式

[0033] 下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明所保护范围不限于此。

[0034] 实施例中所用原料均为常规原料，可市购获得；所述方法，如无特殊说明均为现有技术。

[0035] 实施例1

[0036] 一种富10B碳化硼溅射靶材，制备步骤如下：

[0037] (1)称取94份D50为1.0μm、纯度＞99.9％、10B丰度为90％的富10B碳化硼粉，6份的富10B 的硼粉和碳粉的混合粉(富10B的硼粉和碳粉的摩尔比为4:1，其中富10B的硼粉的D50为0.5μm、纯度＞99.9％、10B丰度为90％，碳粉的D50为0.5μm、纯度＞99.9％)，260份的无水甲醇，加入碳化硼陶瓷球磨罐中，以碳化硼陶瓷为磨球，球磨20分钟，使各组分均匀混合，制得浆料；

[0038] (2)将步骤(1)制得的浆料，40℃真空干燥，然后在碳化硼陶瓷研钵中，以碳化硼陶瓷棒研碎，过60目标准筛造粒，得造粒粉；

[0039] (3)将步骤(2)制得的造粒粉，装入内表面涂覆氮化硼的高强石墨坩埚内，压实，于氩气保护下放电等离子烧结，在1850℃，50MPa，保温12分钟，制得烧结体；

[0040] (4)用金刚石砂轮，磨去步骤(3)制得的烧结体表层黏附的氮化硼，并将烧结体的上下表面找平，再用无水甲醇超声清洗烧结体，然后真空干燥，制得富10B碳化硼溅射靶材。

[0041] 利用阿基米德排水法，测量并计算，所得富10B碳化硼溅射靶材的相对密度为99.93％。

[0042] 扫描电子显微镜显微分析表明，所得靶材的晶粒大小较均匀，平均晶粒大小约为3.0μm。

[0043] 实施例2

[0044] 一种富10B碳化硼溅射靶材，制备步骤如下：

[0045] (1)称取94份D50为1.0μm、纯度＞99.9％、10B丰度为90％的富10B碳化硼粉，6份的10 10 10
富 B 的硼粉和碳粉的混合粉(富 B的硼粉和碳粉的摩尔比为4:1，其中富 B的硼粉的D50为
0.5μm、纯度＞99.9％、10B丰度为90％，碳粉的D50为0.5μm、纯度＞99.9％)，260份的无水甲醇，加入碳化硼陶瓷球磨罐中，以碳化硼陶瓷为磨球，球磨20分钟，使各组分均匀混合，制得浆料；

[0046] (2)将步骤(1)制得的浆料，40℃真空干燥，然后在碳化硼陶瓷研钵中，以碳化硼陶瓷棒研碎，过60目标准筛造粒，得造粒粉；

[0047] (3)将步骤(2)制得的造粒粉，装入内表面涂覆氮化硼的高强石墨坩埚内，压实，于氩气保护下放电等离子烧结，在1870℃，60MPa，保温13分钟，制得烧结体；

[0048] (4)用金刚石砂轮，磨去步骤(3)制得的烧结体表层黏附的氮化硼，并将烧结体的上下表面找平，再用无水甲醇超声清洗烧结体，然后真空干燥，制得富10B碳化硼溅射靶材。

[0049] 利用阿基米德排水法，测量并计算，所得富10B碳化硼溅射靶材的相对密度为99.97％。

[0050] 扫描电子显微镜显微分析表明，所得靶材的晶粒大小较均匀，平均晶粒大小约为3.8μm。

[0051] 由实施例2和实施例1对比可知，在其它条件相同的条件下，提高烧结温度和压力，可以提高致密度，同时会使烧结体的晶粒尺寸长大。

[0052] 实施例3：

[0053] 一种富10B碳化硼溅射靶材，制备步骤如下：

[0054] (1)称取97份D50为1.0μm、纯度＞99.9％、10B丰度为90％的富10B碳化硼粉，3份的富10B 的硼粉和碳粉的混合粉(富10B的硼粉和碳粉的摩尔比为4:1，其中富10B的硼粉的D50为0.5μm、纯度＞99.9％、10B丰度为90％，碳粉的D50为0.5μm、纯度＞99.9％)，260份的无水甲醇，加入碳化硼陶瓷球磨罐中，以碳化硼陶瓷为磨球，球磨20分钟，使各组分均匀混合，制得浆料；

[0055] (2)将步骤(1)制得的浆料，在氩气保护气氛下，40℃干燥，然后在碳化硼陶瓷研钵中，以碳化硼陶瓷棒研碎，过60目标准筛造粒，得造粒粉；

[0056] (3)将步骤(2)制得的造粒粉，装入内表面涂覆氮化硼的高强石墨坩埚内，压实，于氩气保护下放电等离子烧结，在1870℃，60MPa，保温15分钟，制得烧结体；

[0057] (4)用金刚石砂轮，磨去步骤(3)制得的烧结体表层黏附的氮化硼，并将烧结体的上下表面找平，再用无水甲醇超声清洗烧结体，然后真空干燥，制得富10B碳化硼溅射靶材。

[0058] 利用阿基米德排水法，测量并计算，所得富10B碳化硼溅射靶材的相对密度为99.89％。

[0059] 扫描电子显微镜显微分析表明，所得靶材的晶粒大小较均匀，平均晶粒大小约为4.5μm。

[0060] 实施例3和实施例2对比可知，在其它条件相同的条件下，减少富10B的硼粉和碳粉的混合粉的比例，即使延长保温时间，也会使致密度降低，而且还会使晶粒尺寸长大。

[0061] 实施例4

[0062] 一种富10B碳化硼溅射靶材，制备步骤如下：

[0063] (1)称取94份D50为2.0μm、纯度＞99.9％、10B丰度为90％的富10B碳化硼粉，6份的富10B 的硼粉和碳粉的混合粉(富10B的硼粉和碳粉的摩尔比为4:1，其中富10B的硼粉的D50为10
1.5μm、纯度＞99.9％、B丰度为90％，碳粉的D50为1.5μm、纯度＞99.9％)，250份的无水甲醇，加入碳化硼陶瓷球磨罐中，以碳化硼陶瓷为磨球，球磨20分钟，使各组分均匀混合，制得浆料；

[0064] (2)将步骤(1)制得的浆料，40℃真空干燥，然后在碳化硼陶瓷研钵中，以碳化硼陶瓷棒研碎，过60目标准筛造粒，得造粒粉；

[0065] (3)将步骤(2)制得的造粒粉，装入内表面涂覆氮化硼的高强石墨坩埚内，压实，于氩气保护下放电等离子烧结，在1870℃，60MPa，保温13分钟，制得烧结体；

[0066] (4)用金刚石砂轮，磨去步骤(3)制得的烧结体表层黏附的氮化硼，并将烧结体的上下表面找平，再用无水甲醇超声清洗烧结体，然后真空干燥，制得富10B碳化硼溅射靶材。

[0067] 利用阿基米德排水法，测量并计算，所得富10B碳化硼溅射靶材的相对密度为99.93％。

[0068] 扫描电子显微镜显微分析表明，所得靶材的晶粒大小较均匀，平均晶粒大小约为5.6μm。

[0069] 实施例4和实施例2对比可知，增大所用原料粒度，也会使致密度降低，而且还会使晶粒尺寸显著长大，因此原料的粒度需要控制在合理范围之内，即本发明保护范围之内。

[0070] 对比例1

[0071] 一种富10B碳化硼，制备步骤如实施例1所述，不同之处在于，步骤(1)为100份的富10B 碳化硼粉，不含富10B的硼粉和碳粉的混合粉，其它步骤和原料与实施例1一致。

[0072] 利用阿基米德排水法，测量并计算，所得产物的相对密度为97.35％。

[0073] 扫描电子显微镜显微分析表明，所得靶材的晶粒大小较均匀，平均晶粒大小约为3.1μm。

[0074] 本对比例和实施例1对比可知，由于纯的富10B碳化硼烧结活性低，不含富10B的硼粉和碳粉的混合粉的配方体系制得的富10B碳化硼的致密度较低。

[0075] 对比例2

[0076] 一种富10B碳化硼，制备步骤和原料如实施例1所述，不同之处在于，步骤(3)中采用普通煅烧的方法，即将步骤(2)制得的造粒粉，装入内表面涂覆氮化硼的高强石墨坩埚内，压实，于氩气保护下，在1870℃常压煅烧13分钟，制得烧结体；其它步骤和原料与实施例1 一致。

[0077] 由于是常压烧结，烧结温度过低，虽然含有硼粉和碳粉，但是由于常压下硼的挥发，使得硼与碳反应生成碳化硼结合原有碳化硼粉体的能力很弱，因此，烧结体未出现明显的致密化现象，烧结体蓬松。利用阿基米德法测量体积密度，样品在煮沸的过程中破碎，未测体积密度。

[0078] 对比例3

[0079] 一种10B碳化硼，制备步骤和原料如实施例1所述，不同之处在于：步骤(1)为100份的富10B碳化硼粉，不含富10B的硼粉和碳粉的混合粉；步骤(3)中采用普通煅烧的方法，即将步骤(2)制得的造粒粉，装入内表面涂覆氮化硼的高强石墨坩埚内，压实，于氩气保护下，在1870℃常压煅烧13分钟，制得烧结体；其它步骤和原料与实施例1一致。

[0080] 由于是常压烧结，而且只含有碳化硼粉体，烧结温度过低，烧结体几乎没有出现致密化现象，烧结体蓬松。利用阿基米德法测量体积密度，样品刚开始煮沸就破碎，未测体积密度。

[0081] 对比例4

[0082] 一种10B碳化硼，制备步骤和原料如实施例1所述，不同之处在于：步骤(1)中，所用原料富10B碳化硼粉的D50为15.0μm、纯度＞99.9％、10B丰度为90％；富10B的硼粉的D50为 10.0μm、纯度＞99.9％、10B丰度为90％；碳粉的D50为10.0μm、纯度＞99.9％；其它步骤和原料与实施例1一致。

[0083] 利用阿基米德排水法，测量并计算，所得产物的相对密度为98.32％。

[0084] 扫描电子显微镜显微分析表明，所得靶材的晶粒大小较均匀，平均晶粒大小约为17μm。

[0085] 本对比例和实施例1对比可知，采用过大粒径的原料制备得到的产物的致密度较低，粒径较大。