一种复合纳米材料及对应的新型纳米涂层[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 1125011 A(43)申请公布日 2021.03.16

(21)申请号 202011257236.5(22)申请日 2020.11.12

(71)申请人 苏州艾美科新材料技术有限公司

地址 215000 江苏省苏州市常熟市经济技

术开发区高新技术产业园建业路2号1幢(72)发明人 陈长　王成杰　(51)Int.Cl.

C23C 4/134(2016.01)C23C 4/04(2006.01)B01F 13/10(2006.01)

权利要求书2页 说明书4页 附图2页

CN 1125011 A()发明名称

一种复合纳米材料及对应的新型纳米涂层(57)摘要

本发明公开了一种复合纳米材料及对应的新型纳米涂层，包括含钇类卤素化合物的制备、氧化钇原料与含铝氧化物原料的制备，并将氧化钇原料与含铝氧化物原料的化合物与含钇类卤素化合物混合制成复合纳米材料混合物浆料，通过输送设备稳定的输送复合纳米材料液料进入等离子腔体内，纳米材料悬浮液液料通过雾化输液设备进入等离子设备的等离子焰流中后进行加热，最终形成涂层。复合材料本身较原有单一材料，更加耐受等离子体的刻蚀，在同种设备功率下，新型复合材料的使用寿命较原先单一材料使用寿命提升45%，用该复合材料使用特定工艺制备的熔射涂层，涂层更加致密，使用寿命较原有单一材料制备的涂层提升45%。

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权　利　要　求　书

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1.一种复合纳米材料，其特征在于，制备方法如下：S11、含钇类卤素化合物的制备

将高纯含钇类卤素化合物原料放入纳米卧式砂磨机内，进行研磨，将研磨后的浆料注入比例为1：250的粘结试剂，放入低温搅拌桶搅拌，并通过蠕动泵将浆料注入造粒塔造粒、分离获得高纯含钇类卤素化合颗粒，将颗粒物放至入低温烤箱内排除粘接试剂，烘烤成品后将其倒入纯水中进行搅拌，并倒入尼龙滤网内，将滤除颗粒物小于7微米以下的颗粒物液体保留待用；

S12、氧化钇原料与含铝氧化物原料的制备

将氧化钇原料和含铝氧化物原料按照60:40的质量比例倒入纳米卧式砂磨机内研磨，并在研磨过程中加入比例为1：180的分散试剂，待研磨后颗粒粒径到达500纳米至800纳米的时候停止研磨；

S13、原料混合

将氧化钇原料与含铝氧化物原料的化合物与含钇类卤素化合物按照5：1的体积比例混合倒入搅拌桶内，以60转/分的速度进行混合搅拌，并加入中和试剂，搅拌时间30分钟，搅拌完后再次加入比例为1:250的颗粒分散试剂，继续搅拌5分钟，制得复合纳米材料混合物浆料，并装入玻璃容器内待用。

2.根据权利要求1所述的一种复合纳米材料，其特征在于：所述高纯含钇类卤素化合物原料、氧化钇原料和含铝氧化物原料为直接购买的纯度为99.995%的精炼原料，所述高纯含钇类卤素化合物原料的颗粒大小1微米‑5微米，所述氧化钇原料的颗粒大小1微米‑5微米，所述含铝氧化物原料为含铝65%和含35%稀土元素的化合物，颗粒大小为1微米‑3微米。

3.根据权利要求1所述的一种复合纳米材料，其特征在于：步骤S11中，高纯含钇类卤素化合物原料在纳米卧式砂磨机内研磨分两个阶段，以研磨沙砾颗粒直径3000微米的氧化铝颗粒研磨240分钟，取出浆料并将其倒入另一台，以研磨沙砾颗粒直径1000微米的氧化锆颗粒中研磨120分钟，并在研磨过程中加入比例为1：150的分散试剂进行颗粒分散。

4.根据权利要求1所述的一种复合纳米材料，其特征在于：步骤S11中，研磨后的浆料注入比例为1：250的粘结试剂，放入低温搅拌桶，此时固体颗粒物的直径在150纳米至400纳米范围内，搅拌温度为5℃‑8℃；造粒塔内，造粒鼓风温度为95℃，蠕动泵流量为50ml/min,通过旋风分离获得高纯含钇类卤素化合颗粒粒径为5微米‑17微米颗粒。

5.根据权利要求1所述的一种复合纳米材料，其特征在于：步骤S11中，烘烤温度300℃，烘烤时间4小时，使用氛围保护式低温烤箱，在烘烤过程中注入高纯氩气进行氛围保护，排胶过后将原料放入高温烤箱内进行烘烤，烘烤温度为650℃，烘烤时间5小时，升温至950℃烘烤5小时，升温至1010℃，烘烤2小时，整个烘烤过程中用高纯氩气进行氛围保护。

6.根据权利要求1所述的一种复合纳米材料，其特征在于：步骤S12中，砂磨颗粒大小≥5000微米的氧化铝颗粒，研磨2小时；步骤S13中制得的复合纳米材料需要在2周内使用，以免发生颗粒物抱团或沉降。

7.根据权利要求1至6所述的一种复合纳米材料的新型纳米涂层，其特征在于，制备方法如下：

S21、将材料注入输送设备里，通过输送设备稳定的输送复合纳米材料液料进入等离子腔体内；

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权　利　要　求　书

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S22、纳米材料悬浮液液料通过雾化输液设备进入等离子设备的等离子焰流中后进行加热，最终形成涂层。

8.根据权利要求7所述的一种复合纳米材料的新型纳米涂层，其特征在于：所述纳米复合材料的粒径为200‑800纳米，固体浓度含量≤20%，输送介质为去离子水，液体输送设备蠕动泵，输送量≥30ml/min，制备时使用的等离子体气源：氩气，氦气，氮气熔射设备的电源功率为120KW，熔射步骤及具体参数如下：在开启熔射设备过程中，先将液料倒入输送设备中以48转/分中转速，搅拌2分钟，并以10ml/min的输送量在未开启设备前注入至等离子熔射体中，待口雾化效果达到后，开启等离子设备，同时开启氩气冷却装置，待体等离子弧体稳定后，开始熔射，并在全程过程中氩气氛围保护，同时，在熔射头上加上外接散热装置，该装置为两通出气装置，材质为紫铜，出气口口径为10mm，出气口口段端焊接十字接口，使冷却体在喷出散热口时气体形态为螺旋扩散式，经过测试其在距离工件100MM的距离，可形成直径在250MM的圆形冷却区域，两个冷却口装于体两端，熔射具体参数为：电流245A，总气量≥240L/min，氩气大于等于120L/min，氮气大于等于72L/min，氢气大于等于48L/min，熔射距离工件表面≥100mm，材料输送量：30ml/min,雾化气体选用：高纯氮气，冷却气体选用高纯氩气。

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说　明　书

一种复合纳米材料及对应的新型纳米涂层

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[0001]

技术领域

[0002]本发明涉及新材料科技技术领域，具体为一种复合纳米材料及对应的新型纳米涂层。

背景技术

[0003]传统等离子粉末喷涂制备的保护涂层受限于涂层孔隙率的影响涂层使用寿命有限，随着半导体加工技术的不断提高，传统粉末喷涂很难满足高阶半导体工艺制备过程中的要求，目前常规的耐等离子体轰击的材料有氧化钛，氧化铝，氧化钇等，其中氧化钇材料为目前主流的设备保护材料，常规的制备工艺是将氧化钇的微米粉末通过传统的送粉设备送入等离子体内进行加热，并最终喷涂到工件的表面，由于涂层是微米粉末制备所以涂层的孔隙率很高，设备内的刻蚀气体会通过这些空隙加速对保护涂层的侵蚀作用，这样带来的结果就是：1.由于刻蚀反应可能会剥离涂层，使原本洁净的设备腔室受到污染，并且污染到产品，产品受到污染后就不能再使用。2.即使涂层剥落下的颗粒被设备本身的自洁系统清除掉，但也因为涂层本身的孔隙虽短了设备部件的使用寿命，而采用PVD镀膜工艺虽然能够大幅提高涂层的孔隙率但因制备价格非常昂贵，并且制备的涂层厚度很有限，虽能短时间内对设备基材进行很好的保护，但是由于其自身厚度有限，在较短的使用时间内就需要更换，为此我们提出一种复合纳米材料及对应的新型纳米涂层用于解决上述问题。发明内容

[0004]本发明的目的在于提供一种复合纳米材料及对应的新型纳米涂层，以解决上述背景技术中提出的问题。[0005]为实现上述目的，一种复合纳米材料，制备方法如下：本发明提供如下技术方案：

S11、含钇类卤素化合物的制备

将高纯含钇类卤素化合物原料放入纳米卧式砂磨机内，进行研磨，将研磨后的浆

料注入比例为1：250的粘结试剂，放入低温搅拌桶搅拌，并通过蠕动泵将浆料注入造粒塔造粒、分离获得高纯含钇类卤素化合颗粒，将颗粒物放至入低温烤箱内排除粘接试剂，烘烤成品后将其倒入纯水中进行搅拌，并倒入尼龙滤网内，将滤除颗粒物小于7微米以下的颗粒物液体保留待用；

S12、氧化钇原料与含铝氧化物原料的制备

将氧化钇原料和含铝氧化物原料按照60:40的质量比例倒入纳米卧式砂磨机内研

磨，并在研磨过程中加入比例为1：180的分散试剂，待研磨后颗粒粒径到达500纳米至800纳米的时候停止研磨；

S13、原料混合

将氧化钇原料与含铝氧化物原料的化合物与含钇类卤素化合物按照5：1的体积比

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例混合倒入搅拌桶内，以60转/分的速度进行混合搅拌，并加入中和试剂，搅拌时间30分钟，搅拌完后再次加入比例为1:250的颗粒分散试剂，继续搅拌5分钟，制得复合纳米材料混合物浆料，并装入玻璃容器内待用。[0006]优选的一种实施案例，所述高纯含钇类卤素化合物原料、氧化钇原料和含铝氧化物原料为直接购买的纯度为99.995%的精炼原料，所述高纯含钇类卤素化合物原料的颗粒大小1微米‑5微米，所述氧化钇原料的颗粒大小1微米‑5微米，所述含铝氧化物原料为含铝65%和含35%稀土元素的化合物，颗粒大小为1微米‑3微米。[0007]优选的一种实施案例，步骤S11中，高纯含钇类卤素化合物原料在纳米卧式砂磨机内研磨分两个阶段，以研磨沙砾颗粒直径3000微米的氧化铝颗粒研磨240分钟，取出浆料并将其倒入另一台，以研磨沙砾颗粒直径1000微米的氧化锆颗粒中研磨120分钟，并在研磨过程中加入比例为1：150的分散试剂进行颗粒分散。[0008]优选的一种实施案例，步骤S11中，研磨后的浆料注入比例为1：250的粘结试剂，放入低温搅拌桶，此时固体颗粒物的直径在150纳米至400纳米范围内，搅拌温度为5℃‑8℃；造粒塔内，造粒鼓风温度为95℃，蠕动泵流量为50ml/min,通过旋风分离获得高纯含钇类卤素化合颗粒粒径为5微米‑17微米颗粒。[0009]优选的一种实施案例，步骤S11中，烘烤温度300℃，烘烤时间4小时，使用氛围保护式低温烤箱，在烘烤过程中注入高纯氩气进行氛围保护，排胶过后将原料放入高温烤箱内进行烘烤，烘烤温度为650℃，烘烤时间5小时，升温至950℃烘烤5小时，升温至1010℃，烘烤2小时，整个烘烤过程中用高纯氩气进行氛围保护。[0010]优选的一种实施案例，步骤S12中，砂磨颗粒大小≥5000微米的氧化铝颗粒，研磨2小时；步骤S13中制得的复合纳米材料需要在2周内使用，以免发生颗粒物抱团或沉降。[0011]一种复合纳米材料的新型纳米涂层，制备方法如下：

S21、将材料注入输送设备里，通过输送设备稳定的输送复合纳米材料液料进入等

离子腔体内；

S22、纳米材料悬浮液液料通过雾化输液设备进入等离子设备的等离子焰流中后

进行加热，最终形成涂层。

[0012]优选的一种实施案例，固体浓度含量≤所述纳米复合材料的粒径为200‑800纳米，20%，输送介质为去离子水，液体输送设备蠕动泵，输送量≥30ml/min，制备时使用的等离子体气源：氩气，氦气，氮气熔射设备的电源功率为120KW，熔射步骤及具体参数如下：在开启熔射设备过程中，先将液料倒入输送设备中以48转/分中转速，搅拌2分钟，并以10ml/min的输送量在未开启设备前注入至等离子熔射体中，待口雾化效果达到后，开启等离子设备，同时开启氩气冷却装置，待体等离子弧体稳定后，开始熔射，并在全程过程中氩气氛围保护，同时，在熔射头上加上外接散热装置，该装置为两通出气装置，材质为紫铜，出气口口径为10mm，出气口口段端焊接十字接口，使冷却体在喷出散热口时气体形态为螺旋扩散式，经过测试其在距离工件100MM的距离，可形成直径在250MM的圆形冷却区域，两个冷却口装于体两端，熔射具体参数为：电流245A，总气量≥240L/min，氩气大于等于120L/min，氮气大于等于72L/min，氢气大于等于48L/min，熔射距离工件表面≥100mm，材料输送量：30ml/min,雾化气体选用：高纯氮气，冷却气体选用高纯氩气。[0013]与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的复合材料本身较原有单一材料，

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更加耐受等离子体的刻蚀，在同种设备功率下，新型复合材料的使用寿命较原先单一材料使用寿命提升45%，用该复合材料使用特定工艺制备的熔射涂层，涂层更加致密，使用寿命较原有单一材料制备的涂层提升45%。

附图说明

[0014]图1为本发明纳米复合物电镜结构示意图；

图2为本发明成品复合物结构示意图；图3为本发明纳米涂层电镜结构示意图。

具体实施方式

[0015]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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0016]请参阅图1‑3，本发明提供一种技术方案：一种复合纳米材料，制备方法如下：

S11、含钇类卤素化合物的制备

将高纯含钇类卤素化合物原料放入纳米卧式砂磨机内，进行研磨，研磨分两个阶

段，以研磨沙砾颗粒直径3000微米的氧化铝颗粒研磨240分钟，取出浆料并将其倒入另一台，以研磨沙砾颗粒直径1000微米的氧化锆颗粒中研磨120分钟，并在研磨过程中加入比例为1：150的分散试剂进行颗粒分散，将两次研磨后的浆料注入比例为1：250的粘结试剂，放入低温搅拌桶搅拌，此时固体颗粒物的直径在150纳米至400纳米范围内，搅拌温度为5℃‑8℃，并通过蠕动泵将浆料注入高度为3.5米的造粒塔内，造粒鼓风温度为95℃，蠕动泵流量为50ml/min,通过旋风分离获得高纯含钇类卤素化合颗粒粒径为5微米‑17微米颗粒，将颗粒物放至入低温烤箱内排除粘接试剂，烘烤温度300℃，烘烤时间4小时，使用氛围保护式低温烤箱，在烘烤过程中注入高纯氩气进行氛围保护，排胶过后将原料放入高温烤箱内进行烘烤，烘烤温度为650℃，烘烤时间5小时，升温至950℃烘烤5小时，升温至1010℃，烘烤2小时，整个烘烤过程中用高纯氩气进行氛围保护，烘烤成品后将其倒入纯水中进行搅拌，并倒入尼龙滤网内，将滤除颗粒物小于7微米以下的颗粒物液体保留待用；

S12、氧化钇原料与含铝氧化物原料的制备

将氧化钇原料和含铝氧化物原料按照60:40的质量比例倒入纳米卧式砂磨机内，

砂磨颗粒大小≥5000微米的氧化铝颗粒，研磨2小时，并在研磨过程中加入比例为1：180的分散试剂，待研磨后颗粒粒径到达500纳米至800纳米的时候停止研磨；

S13、原料混合

将氧化钇原料与含铝氧化物原料的化合物与含钇类卤素化合物按照5：1的体积比

例混合倒入搅拌桶内，以60转/分的速度进行混合搅拌，并加入中和试剂，搅拌时间30分钟，搅拌完后再次加入比例为1:250的颗粒分散试剂，继续搅拌5分钟，制得复合纳米材料混合物浆料，并装入玻璃容器内待用，复合纳米材料需要在2周内使用，以免发生颗粒物抱团或沉降。

[0017]优选的一种实施案例，高纯含钇类卤素化合物原料、氧化钇原料和含铝氧化物原

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料为直接购买的纯度为99.995%的精炼原料，高纯含钇类卤素化合物原料的颗粒大小1微米‑5微米，氧化钇原料的颗粒大小1微米‑5微米，含铝氧化物原料为含铝65%和含35%稀土元素的化合物，颗粒大小为1微米‑3微米。

[0018]一种复合纳米材料的新型纳米涂层，制备方法如下：

S21、将材料注入输送设备里，通过输送设备稳定的输送复合纳米材料液料进入等

离子腔体内；

S22、纳米材料悬浮液液料通过雾化输液设备进入等离子设备的等离子焰流中后

进行加热，最终形成涂层。

[0019]优选的一种实施案例，纳米复合材料的粒径为200‑800纳米，固体浓度含量≤20%，输送介质为去离子水，液体输送设备蠕动泵，输送量≥30ml/min，制备时使用的等离子体气源：氩气，氦气，氮气熔射设备的电源功率为120KW，熔射步骤及具体参数如下：在开启熔射设备过程中，先将液料倒入输送设备中以48转/分中转速，搅拌2分钟，并以10ml/min的输送

同量在未开启设备前注入至等离子熔射体中，待口雾化效果达到后，开启等离子设备，

时开启氩气冷却装置，待体等离子弧体稳定后，开始熔射，并在全程过程中氩气氛围保护，同时，在熔射头上加上外接散热装置，该装置为两通出气装置，材质为紫铜，出气口口径为10mm，出气口口段端焊接十字接口，使冷却体在喷出散热口时气体形态为螺旋扩散式，经过测试其在距离工件100MM的距离，可形成直径在250MM的圆形冷却区域，两个冷却口装于体两端，熔射具体参数为：电流245A，总气量≥240L/min，氩气大于等于120L/min，氮气大于等于72L/min，氢气大于等于48L/min，熔射距离工件表面≥100mm，材料输送量：30ml/min,雾化气体选用：高纯氮气，冷却气体选用高纯氩气。[0020]通过电镜显微镜、维氏硬度计等仪器对本发明的纳米涂层和传统单一材料涂层性能进行检测比较结果如下：

与现有技术相比，本发明的复合材料本身较原有单一材料，更加耐受等离子体的

刻蚀，在同种设备功率下，新型复合材料的使用寿命较原先单一材料使用寿命提升45%，用该复合材料使用特定工艺制备的熔射涂层，涂层更加致密，使用寿命较原有单一材料制备的涂层提升45%。

[0021]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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说　明　书　附　图

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图2

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图3

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