Süsinikupõhiste materjalide pindade TaC-katete uurimise edenemine

Uurimise taust

Süsinikupõhised materjalid, nagu grafiit, süsinikkiud ja süsinik/süsinik (C/C) komposiidid, on tuntud oma suure eritugevuse, kõrge erimooduli ja suurepäraste soojusomaduste poolest, mistõttu need sobivad paljudeks kõrge temperatuuriga rakendusteks. . Neid materjale kasutatakse laialdaselt kosmosetööstuses, keemiatehnoloogias ja energia salvestamisel. Kuid nende vastuvõtlikkus oksüdatsioonile ja korrosioonile kõrge temperatuuriga keskkondades koos halva kriimustuskindlusega piirab nende edasist kasutamist.

Tänu tehnoloogilistele edusammudele ei suuda olemasolevad süsinikupõhised materjalid täita äärmuslike keskkondade rangeid nõudeid, eriti oksüdatsiooni- ja korrosioonikindluse osas. Seetõttu on nende materjalide toimivuse parandamine muutunud peamiseks uurimissuunaks.

Tantaalkarbiid (TaC) on materjal, millel on ülikõrge sulamistemperatuur (3880°C), suurepärane mehaaniline stabiilsus kõrgel temperatuuril ja korrosioonikindlus. Samuti on sellel hea keemiline ühilduvus süsinikupõhiste materjalidega.TaC kattedvõib oluliselt suurendada süsinikupõhiste materjalide oksüdatsioonikindlust ja mehaanilisi omadusi, laiendades nende rakendatavust äärmuslikes keskkondades.

Süsinikupõhiste materjalide pindade TaC-katete uurimise edenemine

1. Grafiit aluspinnad

Grafiidi eelised:

Grafiiti kasutatakse laialdaselt kõrgtemperatuurilises metallurgias, energiapatareides ja pooljuhtide tootmises tänu selle kõrge temperatuuri taluvusele (sulamistemperatuur umbes 3850 °C), kõrgele soojusjuhtivusele ja suurepärasele soojuslöögikindlusele. Grafiit on aga kõrgel temperatuuril altid sulametallide oksüdeerumisele ja korrosioonile.

RollTaC katted:

TaC-katted võivad märkimisväärselt parandada grafiidi oksüdatsioonikindlust, korrosioonikindlust ja mehaanilisi omadusi, suurendades seeläbi selle potentsiaali kasutamiseks äärmuslikes keskkondades.

Katmismeetodid ja toimed:

(1) Plasmapihustamine:

Uurimistöö: Trignan et al. kasutas plasmapihustamist 150 µm paksuse kihi ladestamiseksTaC kategrafiidi pinnal, suurendades oluliselt selle kõrge temperatuuri taluvust. Kuigi kate sisaldas pärast pihustamist TaC0,85 ja Ta2C, jäi see pärast kõrgel temperatuuril töötlemist temperatuuril 2000 °C puutumata ja pragunemata.

(2) Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD):

Uurimistöö: Lv et al. kasutas TaCl5-Ar-C3H6 süsteemi, et valmistada C-TaC mitmefaasiline kate grafiitpindadele, kasutades CVD meetodit. Nende uuring näitas, et kui süsinikusisaldus kattekihis suurenes, vähenes hõõrdetegur, mis näitab suurepärast kulumiskindlust.

(3) Läga paagutamise meetod:

Uurimistöö: Shen et al. valmistasid TaCl5 ja atsetüülatsetooni abil suspensiooni, mille nad kanti grafiitpindadele ja seejärel paagutati kõrgel temperatuuril. SaadudTaC kateosakesed olid umbes 1 µm suurused ja näitasid head keemilist stabiilsust ja stabiilsust kõrgel temperatuuril pärast töötlemist 2000 °C juures.

Joonis 1

Joonisel 1a on kujutatud CVD-meetodi abil valmistatud TaC-tiigel, samas kui joonised 1b ja 1c illustreerivad tiigli seisukorda vastavalt MOCVD-GaN epitaksiaalse kasvu ja AlN sublimatsiooni kasvutingimustes. Need pildid näitavad, etTaC katemitte ainult ei avalda suurepärast ablatsioonikindlust äärmuslikel temperatuuridel, vaid säilitab ka kõrge struktuurilise stabiilsuse kõrge temperatuuri tingimustes.

2. Süsinikkiud põhimik

Süsinikkiu omadused:

Süsinikkiudu iseloomustab selle kõrge eritugevus ja kõrge erimoodul ning suurepärane elektrijuhtivus, soojusjuhtivus, hapete ja leeliste korrosioonikindlus ning stabiilsus kõrgel temperatuuril. Kuid süsinikkiud kaotavad need suurepärased omadused kõrge temperatuuriga oksüdatiivses keskkonnas.

RollTaC kate:

Deponeerimine aTaC katesüsinikkiu pinnal suurendab oluliselt selle oksüdatsioonikindlust ja kiirguskindlust, parandades seeläbi selle rakendatavust äärmuslikult kõrge temperatuuriga keskkondades.

Katmismeetodid ja toimed:

(1) Keemiliste aurude infiltratsioon (CVI):

Uurimistöö: Chen et al. deponeeritud aTaC katesüsinikkiul, kasutades CVI meetodit. Uuring näitas, et 950–1000 °C sadestamistemperatuuril oli TaC-kattel tihe struktuur ja suurepärane oksüdatsioonikindlus kõrgetel temperatuuridel.

(2) In situ reageerimise meetod:

Uurimistöö: Liu et al. valmistati TaC/PyC kangad puuvillakiududele, kasutades in situ reaktsioonimeetodit. Nendel kangastel oli äärmiselt kõrge elektromagnetilise varjestuse efektiivsus (75,0 dB), mis on oluliselt parem kui traditsioonilised PyC-kangad (24,4 dB).

(3) Sulasoola meetod:

Uuring: Dong et al. valmis aTaC katesüsinikkiu pinnal sulasoola meetodil. Tulemused näitasid, et see kate suurendas oluliselt süsinikkiu oksüdatsioonikindlust.

Joonis 2

Joonis 2: joonisel 2 on kujutatud erinevatel tingimustel valmistatud algsete süsinikkiudude ja TaC-ga kaetud süsinikkiudude SEM-kujutised koos termogravimeetrilise analüüsi (TGA) kõveratega erinevates katmistingimustes.

Joonis 2a: näitab algsete süsinikkiudude morfoloogiat.

Joonis 2b: näitab 1000 °C juures valmistatud TaC-ga kaetud süsinikkiudude pinnamorfoloogiat, kusjuures kate on tihe ja ühtlaselt jaotunud.

Joonis 2c: TGA kõverad näitavad, etTaC katesuurendab oluliselt süsinikkiudude oksüdatsioonikindlust, kusjuures 1100 °C juures valmistatud kate näitab suurepärast oksüdatsioonikindlust.

3. C/C komposiitmaatriks

C/C komposiitide omadused:

C/C komposiidid on süsinikkiuga tugevdatud süsinikmaatrikskomposiidid, mis on tuntud oma kõrge erimooduli ja kõrge eritugevuse, hea termilise šoki stabiilsuse ja suurepärase kõrge temperatuuri korrosioonikindluse poolest. Neid kasutatakse peamiselt lennunduses, autotööstuses ja tööstuslikus tootmises. Kuid C / C komposiidid on kõrge temperatuuriga keskkondades altid oksüdeerumisele ja neil on halb plastilisus, mis piirab nende kasutamist kõrgematel temperatuuridel.

RollTaC kate:

Ettevalmistus aTaC kateC/C komposiitide pinnal võib oluliselt parandada nende ablatsioonikindlust, termilise šoki stabiilsust ja mehaanilisi omadusi, laiendades seeläbi nende kasutusvõimalusi äärmuslikes tingimustes.

Katmismeetodid ja toimed:

(1) Plasmapihustusmeetod:

Uurimistöö: Feng et al. valmistatud HfC-TaC komposiitkatted C/C komposiitidele, kasutades ülehelikiirusega atmosfääriplasma pihustamise (SAPS) meetodit. Need katted näitasid suurepärast ablatsioonikindlust leegi soojusvoo tiheduse 2,38 MW/m² korral, massiablatsioonikiirusega ainult 0,35 mg/s ja lineaarse ablatsioonikiirusega 1,05 µm/s, mis näitab suurepärast stabiilsust kõrgetel temperatuuridel.

(2) Sol-Gel meetod:

Uurimine: He et al. ette valmistatudTaC kattedC/C komposiitidel sool-geel meetodil ja paagutas need erinevatel temperatuuridel. Uuring näitas, et pärast paagutamist 1600 °C juures oli kattekihil parim ablatsioonikindlus pideva ja tiheda kihilise struktuuriga.

(3) Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD):

Uurimused: Ren et al. deponeeriti Hf(Ta)C katted C/C komposiitidele, kasutades HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar süsteemi CVD meetodi abil. Katsed näitasid, et kattekihil oli tugev nakkumine aluspinnaga ja pärast 120-sekundilist leegi ablatsiooni oli massiablatsiooni kiirus ainult 0,97 mg/s lineaarse ablatsioonikiirusega 1,32 µm/s, mis näitab suurepärast ablatsioonikindlust.

Joonis 3

Joonisel 3 on näidatud mitmekihiliste PyC/SiC/TaC/PyC katetega C/C komposiitide murdumismorfoloogia.

Joonis 3a: kuvab katte üldise murdumismorfoloogia, kus on võimalik jälgida katete kihtidevahelist struktuuri.

Joonis 3b: on katte suurendatud kujutis, mis näitab kihtide vahelisi liidese tingimusi.

Joonis 3c: võrdleb kahe erineva materjali liidese nihketugevust ja paindetugevust, mis näitab, et mitmekihiline kattestruktuur suurendab oluliselt C / C komposiitide mehaanilisi omadusi.

4. CVD poolt valmistatud süsinikupõhiste materjalide TaC-katted

CVD meetod võib anda kõrge puhtusastmega, tiheda ja ühtlaseTaC kattedsuhteliselt madalatel temperatuuridel, vältides defekte ja pragusid, mida tavaliselt esineb teiste kõrge temperatuuriga valmistamismeetodite puhul.

CVD parameetrite mõju:

(1) Gaasi voolukiirus:

Reguleerides gaasivoolu kiirust CVD protsessi ajal, saab katte pinna morfoloogiat ja keemilist koostist tõhusalt kontrollida. Näiteks Zhang et al. uuris Ar gaasi voolukiiruse mõjuTaC katekasvu ja leidis, et Ar voolukiiruse suurendamine aeglustab terade kasvu, mille tulemuseks on väiksemad ja ühtlasemad terad.

(2) Sadestumise temperatuur:

Sadestumise temperatuur mõjutab oluliselt katte pinna morfoloogiat ja keemilist koostist. Üldiselt kiirendavad kõrgemad sadestustemperatuurid sadestumise kiirust, kuid võivad suurendada ka sisemist pinget, mis põhjustab pragude teket. Chen et al. leidis selleTaC katted800 °C juures valmistatud katted sisaldasid vähesel määral vaba süsinikku, samas kui 1000 °C juures koosnesid katted peamiselt TaC kristallidest.

(3) Sadestumise rõhk:

Sadestusrõhk mõjutab eelkõige katte tera suurust ja sadestuskiirust. Uuringud näitavad, et sadestusrõhu kasvades paraneb oluliselt sadestuskiirus ja suureneb tera suurus, kuigi katte kristallstruktuur jääb suures osas muutumatuks.

Joonis 4

Joonis 5

Joonised fig 4 ja 5 illustreerivad H2 voolukiiruse ja sadestumise temperatuuri mõju katete koostisele ja tera suurusele.

Joonis 4: näitab erinevate H2 voolukiiruste mõju vee koostiseleTaC kattedtemperatuuril 850 °C ja 950 °C. Kui H2 voolukiirus on 100 ml/min, koosneb kate peamiselt TaC-st koos väikese koguse Ta2C-ga. Kõrgematel temperatuuridel tekib H2 lisamisel väiksemaid ja ühtlasemaid osakesi.

Joonis 5: näitab muutusi pinna morfoloogias ja tera suurusesTaC kattederinevatel sadestustemperatuuridel. Temperatuuri tõustes tera suurus järk-järgult kasvab, muutudes sfäärilistelt teradeks mitmetahulisteks.

Arengutrendid

Praegused väljakutsed:

KuigiTaC kattedsuurendab oluliselt süsinikupõhiste materjalide jõudlust, TaC ja süsiniku substraadi soojuspaisumistegurite suur erinevus võib kõrgetel temperatuuridel põhjustada pragusid ja lõhenemist. Lisaks üksTaC katevõib teatud äärmuslikes tingimustes siiski rakendusnõuetele mitte vastata.

Lahendused:

(1) Komposiitkattesüsteemid:

Ühe katte pragude tihendamiseks võib kasutada mitmekihilisi komposiitkattesüsteeme. Näiteks Feng et al. valmistasid vahelduvad HfC-TaC/HfC-SiC katted C/C komposiitidele, kasutades SAPS-meetodit, mis näitasid kõrgetel temperatuuridel paremat ablatsioonikindlust.

(2) Tahke lahusega tugevdavad kattesüsteemid:

HfC-l, ZrC-l ja TaC-l on sama näokeskne kuubikujuline kristallstruktuur ja need võivad moodustada üksteisega tahkeid lahuseid, et suurendada ablatsioonikindlust. Näiteks Wang et al. valmistas CVD meetodil Hf (Ta) C katteid, millel oli kõrge temperatuuri tingimustes suurepärane ablatsioonikindlus.

(3) Gradientkattesüsteemid:

Gradientkatted parandavad üldist jõudlust, tagades katte koostise pideva gradiendi jaotuse, mis vähendab sisemist pinget ja soojuspaisumistegurite mittevastavust. Li et al. valmistatud TaC / SiC gradientkatted, mis näitasid suurepärast termilise šoki vastupidavust leegi ablatsioonikatsete ajal temperatuuril 2300 ° C, ilma pragunemise või lõhenemiseta.

Joonis 6

Joonis 6 illustreerib erineva struktuuriga komposiitkatete ablatsioonikindlust. Joonisel fig 6b on näidatud, et vahelduvad kattestruktuurid vähendavad kõrgetel temperatuuridel pragusid, avaldades optimaalset ablatsioonikindlust. Seevastu joonisel fig 6c on näidatud, et mitmekihilised katted võivad kõrgel temperatuuril mitme liidese olemasolu tõttu puruneda.

Kokkuvõte ja väljavaade

See artikkel võtab süstemaatiliselt kokku uurimistöö edusammudTaC katted on graphite, carbon fiber, and C/C composites, discusses the influence of CVD parameters on TaC katetulemuslikkust ja analüüsib aktuaalseid probleeme.

Süsinikupõhiste materjalide kasutusnõuete täitmiseks äärmuslikes tingimustes on vaja täiendavalt parandada TaC-katete ablatsioonikindlust, oksüdatsioonikindlust ja mehaanilist stabiilsust kõrgel temperatuuril. Lisaks peaksid tulevased uuringud süvenema CVD TaC-katete valmistamise põhiprobleemidesse, edendades edusamme nende kaubanduslikul kasutamisel.TaC katted.**

---

Meie Semicorexis oleme spetsialiseerunud SiC/TaC-ga kaetud grafiittootedja CVD SiC tehnoloogiat, mida kasutatakse pooljuhtide tootmisel, kui teil on küsimusi või vajate täiendavaid üksikasju, võtke meiega ühendust.

Kontakttelefon: +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com