Karbon əsaslı material səthlərində TaC örtüklərinin tədqiqat tərəqqisi

Araşdırma fonu

Qrafit, karbon lifləri və karbon/karbon (C/C) kompozitləri kimi karbon əsaslı materiallar yüksək spesifik gücü, yüksək spesifik modulu və əla istilik xassələri ilə tanınır və onları yüksək temperaturda geniş tətbiqlər üçün uyğun edir. . Bu materiallar aerokosmik, kimya mühəndisliyi və enerji saxlama sahələrində geniş istifadə olunur. Bununla belə, onların yüksək temperaturlu mühitlərdə oksidləşmə və korroziyaya qarşı həssaslığı, zəif cızıqlara qarşı müqaviməti ilə yanaşı, onların sonrakı tətbiqini məhdudlaşdırır.

Texnoloji irəliləyişlərlə, mövcud karbon əsaslı materiallar, xüsusilə oksidləşmə və korroziyaya davamlılıq ilə bağlı ekstremal mühitlərin ciddi tələblərinə cavab verə bilmir. Buna görə də, bu materialların iş qabiliyyətinin artırılması əsas tədqiqat istiqamətinə çevrilmişdir.

Tantal karbid (TaC) olduqca yüksək ərimə nöqtəsinə (3880 ° C), əla yüksək temperaturda mexaniki dayanıqlığa və korroziyaya davamlılığa malik bir materialdır. O, həmçinin karbon əsaslı materiallarla yaxşı kimyəvi uyğunluq nümayiş etdirir.TaC örtüklərikarbon əsaslı materialların oksidləşmə müqavimətini və mexaniki xassələrini əhəmiyyətli dərəcədə artıra bilər, onların ekstremal mühitlərdə tətbiq imkanlarını genişləndirir.

Karbon əsaslı material səthlərində TaC örtüklərinin tədqiqat tərəqqisi

1. Qrafit Substratlar

Qrafitin üstünlükləri:

Qrafit yüksək temperatura dözümlülüyü (ərimə nöqtəsi 3850°C ətrafında), yüksək istilik keçiriciliyi və əla istilik zərbəsinə davamlılığına görə yüksək temperaturlu metallurgiya, enerji batareyaları və yarımkeçiricilər istehsalında geniş istifadə olunur. Bununla belə, qrafit yüksək temperaturda ərimiş metallar tərəfindən oksidləşməyə və korroziyaya meyllidir.

roluTaC örtükləri:

TaC örtükləri qrafitin oksidləşmə müqavimətini, korroziyaya davamlılığını və mexaniki xüsusiyyətlərini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilər və bununla da ekstremal mühitlərdə tətbiq potensialını artırır.

Kaplama üsulları və təsirləri:

(1) Plazma Püskürtmə:

Tədqiqat: Trignan et al. 150 µm qalınlığında çökdürmək üçün plazma çiləmə üsulundan istifadə edilmişdirTaC örtüyüqrafitin səthində yüksək temperatura dözümlülüyünü əhəmiyyətli dərəcədə artırır. Kaplamanın tərkibində TaC0.85 və Ta2C-dən sonra çiləmə üsulu olmasına baxmayaraq, 2000°C-də yüksək temperaturda müalicədən sonra çatlamadan bütöv qalmışdır.

(2) Kimyəvi Buxar Çöküntüsü (CVD):

Tədqiqat: Lv et al. CVD metodundan istifadə edərək qrafit səthlərdə C-TaC çoxfazalı örtüyü hazırlamaq üçün TaCl5-Ar-C3H6 sistemindən istifadə etdi. Onların araşdırması göstərdi ki, örtükdəki karbon miqdarı artdıqca sürtünmə əmsalı azalır və bu, əla aşınma müqavimətini göstərir.

(3) Bulamaç Sinterləmə üsulu:

Tədqiqat: Shen et al. TaCl5 və asetilasetondan istifadə edərək məlhəm hazırlamışlar, onu qrafit səthlərə tətbiq etmişlər və sonra yüksək temperaturda sinterləməyə məruz qalmışlar. NəticədəTaC örtüyühissəciklər təxminən 1 µm ölçüdə idi və 2000°C-də müalicədən sonra yaxşı kimyəvi dayanıqlıq və yüksək temperaturda dayanıqlıq nümayiş etdirdi.

Şəkil 1

Şəkil 1a, CVD üsulu ilə hazırlanmış TaC tigesini təqdim edir, Şəkil 1b və 1c isə müvafiq olaraq MOCVD-GaN epitaksial böyüməsi və AlN sublimasiya böyüməsi şəraitində titulun vəziyyətini göstərir. Bu görüntülər onu göstərir kiTaC örtüyüyalnız ekstremal temperaturlarda əla ablasyon müqaviməti nümayiş etdirmir, həm də yüksək temperatur şəraitində yüksək struktur sabitliyini saxlayır.

2. Karbon Fiber Substrat

Karbon Fiberin Xüsusiyyətləri:

Karbon lifi əla elektrik keçiriciliyi, istilik keçiriciliyi, turşu və qələvi korroziyaya davamlılığı və yüksək temperaturda dayanıqlığı ilə yanaşı, yüksək xüsusi gücü və yüksək xüsusi modulu ilə xarakterizə olunur. Bununla belə, karbon lifi yüksək temperaturlu oksidləşdirici mühitlərdə bu üstün xüsusiyyətlərini itirməyə meyllidir.

roluTaC örtüyü:

Depozit qoymaq aTaC örtüyükarbon lifinin səthində onun oksidləşmə müqavimətini və radiasiyaya davamlılığını əhəmiyyətli dərəcədə artırır və bununla da ekstremal yüksək temperatur mühitlərində tətbiq qabiliyyətini artırır.

Kaplama üsulları və təsirləri:

(1) Kimyəvi Buxar İnfiltrasiya (CVI):

Tədqiqat: Chen et al. yatırılmış aTaC örtüyüCVI metodundan istifadə edərək karbon lifi üzərində. Tədqiqat 950-1000 ° C çökmə temperaturlarında TaC örtüyünün sıx bir quruluşa və yüksək temperaturda əla oksidləşmə müqavimətinə malik olduğunu göstərdi.

(2) In Situ Reaksiya Metodu:

Tədqiqat: Liu et al. in situ reaksiya metodundan istifadə etməklə pambıq lifləri üzərində TaC/PyC parçalar hazırlanmışdır. Bu parçalar ənənəvi PyC parçalardan (24,4 dB) əhəmiyyətli dərəcədə üstün olan son dərəcə yüksək elektromaqnit qoruma effektivliyi (75,0 dB) nümayiş etdirdi.

(3) Ərinmiş duz üsulu:

Tədqiqat: Dong et al. hazırlanmış aTaC örtüyüərinmiş duz üsulu ilə karbon lifinin səthində. Nəticələr göstərdi ki, bu örtük karbon lifinin oksidləşmə müqavimətini əhəmiyyətli dərəcədə artırıb.

Şəkil 2

Şəkil 2: Şəkil 2, müxtəlif örtük şərtləri altında termogravimetrik analiz (TGA) əyriləri ilə birlikdə müxtəlif şərtlərdə hazırlanmış orijinal karbon liflərinin və TaC ilə örtülmüş karbon liflərinin SEM şəkillərini göstərir.

Şəkil 2a: Orijinal karbon liflərinin morfologiyasını göstərir.

Şəkil 2b: 1000°C-də hazırlanmış TaC ilə örtülmüş karbon liflərinin səthi morfologiyasını göstərir, örtük sıx və bərabər paylanmışdır.

Şəkil 2c: TGA əyriləri göstərir kiTaC örtüyükarbon liflərinin oksidləşmə müqavimətini əhəmiyyətli dərəcədə artırır, 1100°C-də hazırlanmış örtük üstün oksidləşmə müqaviməti göstərir.

3. C/C Kompozit Matris

C/C Kompozitlərinin Xüsusiyyətləri:

C/C kompozitləri, yüksək spesifik modulu və yüksək xüsusi gücü, yaxşı termal şok dayanıqlığı və əla yüksək temperaturda korroziyaya davamlılığı ilə tanınan karbon lifi ilə gücləndirilmiş karbon matriksli kompozitlərdir. Onlar əsasən aerokosmik, avtomobil və sənaye istehsalı sahələrində istifadə olunur. Bununla belə, C/C kompozitləri yüksək temperaturlu mühitlərdə oksidləşməyə meyllidir və zəif plastikliyə malikdir, bu da onların daha yüksək temperaturda tətbiqini məhdudlaşdırır.

roluTaC örtüyü:

Hazırlanması aTaC örtüyüC/C kompozitlərinin səthində onların ablasyon müqavimətini, termal şok dayanıqlığını və mexaniki xassələrini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilər və bununla da ekstremal şəraitdə potensial tətbiqlərini genişləndirə bilər.

Kaplama üsulları və təsirləri:

(1) Plazma Püskürtmə Metodu:

Tədqiqat: Feng et al. supersonik atmosfer plazması ilə püskürtmə (SAPS) üsulundan istifadə edərək C/C kompozitləri üzərində HfC-TaC kompozit örtüklər hazırlamışdır. Bu örtüklər 2,38 MVt/m² alov istilik axınının sıxlığı altında əla ablasiya müqaviməti nümayiş etdirdi, kütləvi ablasiya dərəcəsi cəmi 0,35 mq/s və xətti ablasiya dərəcəsi 1,05 µm/s idi ki, bu da yüksək temperaturda üstün sabitliyi göstərir.

(2) Sol-Gel metodu:

Tədqiqat: He et al. hazırlanmışdırTaC örtükləriC/C kompozitlərində sol-gel üsulu ilə hazırlanmış və müxtəlif temperaturlarda sinterlənmişdir. Tədqiqat 1600°C-də sinterləmədən sonra örtükün davamlı və sıx laylı quruluşa malik ən yaxşı ablasyon müqavimətini nümayiş etdirdiyini ortaya qoydu.

(3) Kimyəvi Buxar Çöküntüsü (CVD):

Tədqiqat: Ren et al. CVD metodu ilə HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar sistemindən istifadə edərək C/C kompozitləri üzərində Hf(Ta)C örtükləri çökdürdü. Təcrübələr göstərdi ki, örtüyün substrata güclü yapışması var və 120 saniyəlik alov ablasiyasından sonra kütləvi ablasiya sürəti 1,32 µm/s xətti ablasiya dərəcəsi ilə cəmi 0,97 mq/s olub və əla ablasiya müqaviməti nümayiş etdirib.

Şəkil 3

Şəkil 3 çox qatlı PyC/SiC/TaC/PyC örtüklü C/C kompozitlərinin qırılma morfologiyasını göstərir.

Şəkil 3a: örtüklərin ümumi qırılma morfologiyasını göstərir, burada örtüklərin təbəqələrarası strukturunun müşahidə oluna bilər.

Şəkil 3b: təbəqələr arasındakı interfeys şəraitini göstərən örtüyün böyüdülmüş şəklidir.

Şəkil 3c: İki müxtəlif materialın interfasial kəsilmə gücünü və əyilmə gücünü müqayisə edir, bu, çox qatlı örtük strukturunun C/C kompozitlərinin mexaniki xassələrini əhəmiyyətli dərəcədə artırdığını göstərir.

4. CVD tərəfindən hazırlanmış Karbon əsaslı materiallar üzərində TaC örtükləri

CVD üsulu yüksək təmizlik, sıx və vahid istehsal edə bilərTaC örtüklərinisbətən aşağı temperaturda, digər yüksək temperaturda hazırlama üsullarında tez-tez rast gəlinən qüsur və çatlardan qaçınmaq.

CVD Parametrlərinin Təsiri:

(1) Qaz axını sürəti:

CVD prosesi zamanı qaz axını sürətini tənzimləməklə, səthin morfologiyasına və örtüyün kimyəvi tərkibinə effektiv şəkildə nəzarət etmək olar. Məsələn, Zhang et al. Ar qaz axını sürətinin təsirini öyrəndiTaC örtüyüartım və Ar axını sürətinin artırılması taxıl böyüməsini yavaşlatır, nəticədə daha kiçik və daha vahid taxıllar meydana gəlir.

(2) Çöküntü temperaturu:

Çöküntü temperaturu səthin morfologiyasına və örtüyün kimyəvi tərkibinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Ümumiyyətlə, daha yüksək çökmə temperaturları çökmə sürətini sürətləndirir, lakin daxili gərginliyi də artıra bilər və çatların yaranmasına səbəb ola bilər. Chen və başqaları. tapdı kiTaC örtükləri800°C-də hazırlanmış az miqdarda sərbəst karbon, 1000°C-də isə örtüklər əsasən TaC kristallarından ibarət idi.

(3) Çöküntü təzyiqi:

Çöküntü təzyiqi ilk növbədə örtünün taxıl ölçüsünə və çökmə sürətinə təsir göstərir. Tədqiqatlar göstərir ki, çökmə təzyiqi artdıqca çökmə sürəti əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşır və taxıl ölçüsü artır, baxmayaraq ki, örtünün kristal quruluşu əsasən dəyişməz qalır.

Şəkil 4

Şəkil 5

Şəkil 4 və 5 H2 axın sürətinin və çökmə temperaturunun örtüklərin tərkibinə və dənəcik ölçüsünə təsirini göstərir.

Şəkil 4: Müxtəlif H2 axın sürətlərinin tərkibinə təsirini göstərirTaC örtükləri850°C və 950°C-də. H2 axını sürəti 100 mL/dəq olduqda, örtük əsasən az miqdarda Ta2C olan TaC-dən ibarətdir. Daha yüksək temperaturda H2-nin əlavə edilməsi daha kiçik və daha vahid hissəciklər ilə nəticələnir.

Şəkil 5: Səth morfologiyasındakı dəyişiklikləri və taxıl ölçüsünü nümayiş etdirirTaC örtüklərimüxtəlif çöküntü temperaturlarında. Temperatur artdıqca taxıl ölçüsü tədricən böyüyür, sferikdən çoxüzlü taxıllara keçir.

İnkişaf meylləri

Cari Çağırışlar:

Baxmayaraq kiTaC örtüklərikarbon əsaslı materialların işini əhəmiyyətli dərəcədə artırır, TaC və karbon substratı arasındakı istilik genişlənmə əmsallarında böyük fərq yüksək temperaturda çatlara və çatlara səbəb ola bilər. Bundan əlavə, təkTaC örtüyümüəyyən ekstremal şəraitdə hələ də ərizə tələblərinə cavab verə bilməz.

Həll yolları:

(1) Kompozit örtük sistemləri:

Tək bir örtükdə çatların möhürlənməsi üçün çox qatlı kompozit örtük sistemlərindən istifadə edilə bilər. Məsələn, Feng et al. yüksək temperaturda üstün ablasiya müqaviməti göstərən SAPS metodundan istifadə edərək C/C kompozitləri üzərində alternativ HfC-TaC/HfC-SiC örtükləri hazırlamışdır.

(2) Qatı Məhlulları Gücləndirən Kaplama Sistemləri:

HfC, ZrC və TaC eyni üz mərkəzli kub kristal quruluşa malikdir və ablasyon müqavimətini artırmaq üçün bir-biri ilə bərk məhlullar yarada bilər. Məsələn, Wang et al. yüksək temperatur şəraitində əla ablasyon müqaviməti nümayiş etdirən CVD üsulu ilə Hf(Ta)C örtükləri hazırlamışdır.

(3) Gradient Kaplama Sistemləri:

Qradient örtüklər daxili gərginliyi və istilik genişlənmə əmsallarında uyğunsuzluğu azaldan örtük tərkibinin davamlı gradient paylanmasını təmin etməklə ümumi performansı artırır. Li və başqaları. 2300°C-də alov ablasiyası sınaqları zamanı əla termal zərbəyə davamlılıq nümayiş etdirən TaC/SiC qradient örtükləri, heç bir müşahidə olunmayan çatlama və ya dağılma.

Şəkil 6

Şəkil 6 müxtəlif strukturlu kompozit örtüklərin ablasyon müqavimətini göstərir. Şəkil 6b göstərir ki, alternativ örtük strukturları yüksək temperaturda çatları azaldır, optimal ablasyon müqaviməti nümayiş etdirir. Bunun əksinə olaraq, Şəkil 6c göstərir ki, çoxqatlı örtüklər çoxlu interfeyslərin olması səbəbindən yüksək temperaturda dağılmaya meyllidir.

Nəticə və perspektiv

Bu məqalə tədqiqatın gedişatını sistematik şəkildə ümumiləşdirirTaC örtükləriqrafit, karbon lifi və C/C kompozitləri üzərində CVD parametrlərinin təsirini müzakirə edirTaC örtüyüfəaliyyət göstərir və cari problemləri təhlil edir.

Ekstremal şəraitdə karbon əsaslı materialların tətbiqi tələblərinə cavab vermək üçün TaC örtüklərinin ablasiya müqaviməti, oksidləşmə müqaviməti və yüksək temperaturda mexaniki dayanıqlığının daha da təkmilləşdirilməsinə ehtiyac var. Bundan əlavə, gələcək tədqiqatlar CVD TaC örtüklərinin hazırlanmasında əsas məsələləri araşdıraraq, kommersiya tətbiqində irəliləyişləri təşviq etməlidir.TaC örtükləri.**

---

Biz Semicorex-də SiC/TaC örtüklü qrafit məhsullarıvə yarımkeçiricilərin istehsalında tətbiq olunan CVD SiC texnologiyası ilə bağlı hər hansı bir sualınız varsa və ya əlavə məlumatlara ehtiyacınız varsa, bizimlə əlaqə saxlamaqdan çəkinməyin.

Əlaqə telefonu: +86-13567891907

E-poçt: sales@semicorex.com