Көміртегі негізіндегі материал беттеріндегі TaC жабындарын зерттеу барысы

Зерттеу фон

Графит, көміртекті талшықтар және көміртекті/көміртекті (C/C) композиттері сияқты көміртегі негізіндегі материалдар өздерінің жоғары меншікті беріктігімен, жоғары меншікті модулімен және тамаша термиялық қасиеттерімен танымал, бұл оларды жоғары температуралық қолданбалардың кең ауқымына қолайлы етеді. . Бұл материалдар аэроғарыш өнеркәсібінде, химиялық инженерияда және энергияны сақтауда кеңінен қолданылады. Дегенмен, олардың жоғары температуралы ортада тотығуға және коррозияға бейімділігі, сызатқа төзімділігі нашар, әрі қарай қолданылуын шектейді.

Технологиялық жетістіктермен көміртегі негізіндегі қолданыстағы материалдар экстремалды ортаның, әсіресе тотығуға және коррозияға төзімділікке қатысты қатаң талаптарын қанағаттандыра алмайды. Сондықтан бұл материалдардың өнімділігін арттыру негізгі зерттеу бағытына айналды.

Тантал карбиді (TaC) - өте жоғары балқу температурасы (3880 ° C), жоғары температурада тамаша механикалық тұрақтылық және коррозияға төзімді материал. Ол сондай-ақ көміртегі негізіндегі материалдармен жақсы химиялық үйлесімділікті көрсетеді.TaC жабындарыкөміртегі негізіндегі материалдардың тотығуға төзімділігін және механикалық қасиеттерін айтарлықтай жақсарта алады, олардың экстремалды ортада қолданылуын кеңейтеді.

Көміртегі негізіндегі материал беттеріндегі TaC жабындарын зерттеу барысы

1. Графиттік субстраттар

Графиттің артықшылықтары:

Графит жоғары температураға төзімділігі (балқу температурасы шамамен 3850 ° C), жоғары жылу өткізгіштігі және тамаша жылу соққысына төзімділігі арқасында жоғары температуралы металлургияда, энергетикалық батареяларда және жартылай өткізгіштер өндірісінде кеңінен қолданылады. Дегенмен, графит жоғары температурада балқытылған металдармен тотығуға және коррозияға бейім.

рөліTaC жабындары:

TaC жабындары графиттің тотығуға төзімділігін, коррозияға төзімділігін және механикалық қасиеттерін айтарлықтай жақсарта алады, осылайша оның экстремалды ортада қолдану мүмкіндігін арттырады.

Қаптау әдістері мен әсерлері:

(1) Плазмалық бүрку:

Зерттеу: Trignan et al. қалыңдығы 150 мкм шөгу үшін плазмалық бүрку қолданылдыTaC жабыныграфиттің бетінде, оның жоғары температураға төзімділігін айтарлықтай арттырады. Қаптаманың құрамында TaC0,85 және Ta2C кейінгі бүркуден болғанымен, ол 2000°C жоғары температурада өңдеуден кейін крекингсіз бұзылмай қалды.

(2) Химиялық буларды тұндыру (CVD):

Зерттеу: Lv et al. CVD әдісін қолдана отырып, графиттік беттерге C-TaC көпфазалы жабындысын дайындау үшін TaCl5-Ar-C3H6 жүйесін қолданды. Олардың зерттеуі жабындағы көміртегінің мөлшері артқан сайын үйкеліс коэффициенті төмендейтінін анықтады, бұл тамаша тозуға төзімділікті көрсетеді.

(3) Шламды агломерациялау әдісі:

Зерттеу: Shen et al. TaCl5 және ацетилацетонды пайдаланып суспензия дайындады, олар графит беттеріне жағып, содан кейін жоғары температурада агломерацияға ұшырады. НәтижесіндеTaC жабыныбөлшектердің өлшемі шамамен 1 мкм болды және 2000°C өңдеуден кейін жақсы химиялық тұрақтылық пен жоғары температура тұрақтылығын көрсетті.

1-сурет

1а суретінде CVD әдісі арқылы дайындалған TaC тигель берілген, ал 1b және 1c суреттері сәйкесінше MOCVD-GaN эпитаксиалды өсу және AlN сублимациясының өсу жағдайында тигельдің күйін суреттейді. Бұл суреттер оны көрсетедіTaC жабыныэкстремалды температурада абляцияға тамаша қарсылық көрсетіп қана қоймайды, сонымен қатар жоғары температура жағдайында жоғары құрылымдық тұрақтылықты сақтайды.

2. Көміртекті талшықты субстрат

Көміртекті талшықтың сипаттамалары:

Көміртекті талшық тамаша электр өткізгіштігімен, жылу өткізгіштігімен, қышқылдық және сілтілі коррозияға төзімділігімен және жоғары температура тұрақтылығымен қатар өзінің жоғары меншікті беріктігімен және жоғары меншікті модулімен сипатталады. Дегенмен, көміртекті талшық жоғары температуралы тотығу орталарында осы жоғары қасиеттерді жоғалтуға бейім.

рөліTaC жабыны:

Депозитке салу аTaC жабыныкөміртекті талшықтың бетінде оның тотығуға төзімділігін және сәулеленуге төзімділігін айтарлықтай арттырады, осылайша оның экстремалды жоғары температуралық ортада қолданылуын жақсартады.

Қаптау әдістері мен әсерлері:

(1) Химиялық будың инфильтрациясы (CVI):

Зерттеу: Чен және т.б. депозитке салынған аTaC жабыныCVI әдісі арқылы көміртекті талшықта. Зерттеу 950-1000°C тұндыру температурасында TaC жабыны тығыз құрылымды және жоғары температурада тамаша тотығуға төзімділігін көрсетті.

(2) In Situ реакция әдісі:

Зерттеу: Liu et al. in situ реакция әдісін қолдана отырып, мақта талшықтарында дайындалған TaC/PyC маталары. Бұл маталар өте жоғары электромагниттік экрандау тиімділігін көрсетті (75,0 дБ), дәстүрлі PyC маталарынан (24,4 дБ) айтарлықтай жоғары.

(3) Балқытылған тұз әдісі:

Зерттеу: Dong et al. дайындалған аTaC жабыныкөміртекті талшықтың бетінде балқытылған тұз әдісімен. Нәтижелер бұл жабын көміртекті талшықтың тотығуға төзімділігін айтарлықтай арттырғанын көрсетті.

2-сурет

2-сурет: 2-суретте әртүрлі жабын жағдайларында термогравиметриялық талдау (TGA) қисықтарымен бірге әртүрлі жағдайларда дайындалған түпнұсқа көміртекті талшықтардың және TaC-жабылған көміртекті талшықтардың SEM кескіндері көрсетілген.

2a-сурет: Түпнұсқа көміртекті талшықтардың морфологиясын көрсетеді.

2b-сурет: 1000°C температурада дайындалған TaC қапталған көміртекті талшықтардың беткі морфологиясы, жабыны тығыз және біркелкі бөлінген.

2c сурет: TGA қисықтары мынаны көрсетедіTaC жабыныкөміртекті талшықтардың тотығуға төзімділігін айтарлықтай арттырады, 1100 ° C-та дайындалған жабын жоғары тотығуға төзімділігін көрсетеді.

3. C/C композиттік матрицасы

C/C композиттерінің сипаттамалары:

C/C композиттері - бұл жоғары үлестік модулімен және жоғары меншікті беріктігімен, жақсы термиялық соққы тұрақтылығымен және тамаша жоғары температурадағы коррозияға төзімділігімен танымал көміртекті талшықты күшейтілген көміртекті матрицалық композиттер. Олар негізінен аэроғарыш, автомобиль және өнеркәсіптік өндіріс салаларында қолданылады. Дегенмен, C/C композиттері жоғары температуралы ортада тотығуға бейім және нашар пластикке ие, бұл олардың жоғары температурада қолданылуын шектейді.

рөліTaC жабыны:

Дайындау аTaC жабыныC/C композиттерінің бетінде олардың абляцияға төзімділігін, термиялық соққы тұрақтылығын және механикалық қасиеттерін айтарлықтай жақсарта алады, осылайша экстремалды жағдайларда олардың әлеуетті қолданылуын кеңейтеді.

Қаптау әдістері мен әсерлері:

(1) Плазмалық бүрку әдісі:

Зерттеу: Фэн және т.б. дыбыстан жоғары атмосфералық плазмалық бүрку (SAPS) әдісін қолдана отырып, C/C композиттеріне HfC-TaC композиттік жабындарын дайындады. Бұл жабындар 2,38 МВт/м² жалынның жылу ағынының тығыздығы кезінде тамаша абляцияға төзімділігін көрсетті, массалық абляция жылдамдығы небары 0,35 мг/с және сызықтық абляция жылдамдығы 1,05 мкм/с, жоғары температурада тамаша тұрақтылықты көрсетеді.

(2) Sol-Gel әдісі:

Зерттеу: Ол және т.б. дайындалғанTaC жабындарыС/С композиттерінде золь-гель әдісін қолданып, оларды әртүрлі температурада күйдірді. Зерттеу 1600°C температурада агломерациялаудан кейін жабын үздіксіз және тығыз қабатты құрылымы бар абляцияға ең жақсы төзімділікті көрсетті.

(3) Химиялық булардың тұндыру (CVD):

Зерттеу: Рен және т.б. CVD әдісі арқылы HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar жүйесін пайдалана отырып, C/C композиттеріндегі Hf(Ta)C жабындарын тұндырды. Тәжірибелер жабынның субстратқа күшті адгезиясы бар екенін көрсетті және 120 секунд жалынмен абляциядан кейін массалық абляция жылдамдығы 1,32 мкм/с сызықтық абляция жылдамдығымен бар болғаны 0,97 мг/с болды, бұл абляцияға тамаша төзімділікті көрсетті.

3-сурет

3-суретте көп қабатты PyC/SiC/TaC/PyC жабындары бар C/C композиттерінің сыну морфологиясы көрсетілген.

3a-сурет: жабынның жалпы сыну морфологиясын көрсетеді, мұнда жабындардың қабатаралық құрылымын байқауға болады.

3b-сурет: қабаттар арасындағы интерфейс жағдайларын көрсететін жабынның үлкейтілген кескіні.

Сурет 3c: Екі түрлі материалдың аралық ығысу күші мен иілу беріктігін салыстырады, бұл көп қабатты жабын құрылымы С/С композиттерінің механикалық қасиеттерін айтарлықтай жақсартатынын көрсетеді.

4. CVD дайындаған көміртегі негізіндегі материалдардағы TaC жабындары

CVD әдісі жоғары тазалық, тығыз және біркелкі өнім бере аладыTaC жабындарысалыстырмалы түрде төмен температурада басқа жоғары температурада дайындау әдістерінде жиі кездесетін ақаулар мен жарықшақтарды болдырмайды.

CVD параметрлерінің әсері:

(1) Газ шығыны:

CVD процесінде газ ағынының жылдамдығын реттеу арқылы жабынның беткі морфологиясы мен химиялық құрамын тиімді басқаруға болады. Мысалы, Чжан және т.б. бойынша Ar газ ағынының жылдамдығының әсерін зерттедіTaC жабыныөсті және Ar ағынының жылдамдығын арттыру дәннің өсуін баяулатады, нәтижесінде дәндер кішірек және біркелкі болады.

(2) Тұндыру температурасы:

Шөгу температурасы жабынның бетінің морфологиясы мен химиялық құрамына айтарлықтай әсер етеді. Әдетте, жоғары тұндыру температурасы тұндыру жылдамдығын тездетеді, бірақ сонымен бірге жарықтардың пайда болуына әкелетін ішкі кернеуді арттыруы мүмкін. Чен және т.б. соны таптыTaC жабындары800 ° C температурада дайындалған бос көміртегінің аздаған мөлшері болса, 1000 ° C-та жабындар негізінен TaC кристалдарынан тұрады.

(3) Тұндыру қысымы:

Тұндыру қысымы, ең алдымен, жабынның түйір өлшеміне және шөгу жылдамдығына әсер етеді. Зерттеулер көрсеткендей, тұндыру қысымы жоғарылаған сайын тұндыру жылдамдығы айтарлықтай жақсарады және жабынның кристалдық құрылымы айтарлықтай өзгеріссіз қалады, бірақ түйір өлшемі ұлғаяды.

4-сурет

5-сурет

4 және 5-суреттерде H2 ағынының жылдамдығы мен тұндыру температурасының жабындардың құрамы мен түйіршік өлшеміне әсері көрсетілген.

4-сурет: әртүрлі H2 ағынының жылдамдығының құрамына әсерін көрсетедіTaC жабындары850°C және 950°C температурада. H2 ағынының жылдамдығы 100 мл/мин болғанда, жабын негізінен аз мөлшерде Ta2C бар TaC тұрады. Жоғары температурада Н2 қосу нәтижесінде кішірек және біркелкі бөлшектер пайда болады.

5-сурет: бетінің морфологиясы мен түйір өлшеміндегі өзгерістерді көрсетедіTaC жабындарыәртүрлі тұндыру температураларында. Температура жоғарылаған сайын дән мөлшері шар тәріздіден көп қырлы дәндерге ауыса отырып, біртіндеп өседі.

Даму тенденциялары

Ағымдағы қиындықтар:

ДегенменTaC жабындарыкөміртегі негізіндегі материалдардың өнімділігін айтарлықтай арттырады, TaC және көміртекті субстрат арасындағы термиялық кеңею коэффициенттеріндегі үлкен айырмашылық жоғары температура кезінде жарықтар мен шашырауларға әкелуі мүмкін. Оған қоса, синглTaC жабыныбелгілі бір экстремалды жағдайларда әлі де өтінім талаптарына сәйкес келмеуі мүмкін.

Шешімдер:

(1) Композиттік жабын жүйелері:

Бір жабындағы жарықтарды жабу үшін көп қабатты композиттік жабын жүйелерін пайдалануға болады. Мысалы, Фэн және т.б. SAPS әдісін қолдана отырып, C/C композиттеріне HfC-TaC/HfC-SiC ауыспалы жабындарын дайындады, ол жоғары температурада абляцияға жоғары төзімділік көрсетті.

(2) Қатты ерітіндіні күшейтетін жабын жүйелері:

HfC, ZrC және TaC бірдей бетке бағытталған текше кристалды құрылымға ие және абляцияға төзімділікті арттыру үшін бір-бірімен қатты ерітінділер құра алады. Мысалы, Wang et al. CVD әдісін қолданып Hf(Ta)C жабындарын дайындады, олар жоғары температура жағдайында тамаша абляцияға төзімділік көрсетті.

(3) Градиентті жабу жүйелері:

Градиенттік жабындар жабын құрамының үздіксіз градиенттік таралуын қамтамасыз ету арқылы жалпы өнімділікті жақсартады, бұл ішкі кернеуді және термиялық кеңею коэффициенттеріндегі сәйкессіздіктерді азайтады. Ли және т.б. дайындалған TaC/SiC градиентті жабындары, олар 2300°C температурада жалынның абляциялық сынақтары кезінде тамаша термиялық соққыға төзімділігін көрсетті, ешқандай крекинг немесе шөгу байқалмайды.

6-сурет

6-суретте әртүрлі құрылымдары бар композиттік жабындардың абляцияға төзімділігі көрсетілген. 6b-суретте ауыспалы жабын құрылымдары оптималды абляцияға төзімділікті көрсете отырып, жоғары температурада жарықтарды азайтатынын көрсетеді. Керісінше, 6c суреті көп қабатты жабындардың бірнеше интерфейстердің болуына байланысты жоғары температурада шашырауға бейім екенін көрсетеді.

Қорытынды және болжам

Бұл мақалада ғылыми-зерттеу барысы жүйелі түрде жинақталғанTaC жабындарыграфит, көміртекті талшық және C/C композиттері туралы, CVD параметрлерінің әсерін талқылайдыTaC жабыныкөрсеткіштерін, ағымдағы мәселелерді талдайды.

Төтенше жағдайларда көміртегі негізіндегі материалдарды қолдану талаптарын қанағаттандыру үшін абляцияға төзімділігін, тотығуға төзімділігін және TaC жабындарының жоғары температурада механикалық тұрақтылығын одан әрі жақсарту қажет. Сонымен қатар, болашақ зерттеулер CVD TaC жабындарын дайындаудың негізгі мәселелерін зерттеп, оны коммерциялық қолданудағы жетістіктерге ықпал етуі керек.TaC жабындары.**

---

Біз Semicorex компаниясында SiC/TaC қапталған графит өнімдеріжәне жартылай өткізгіштерді өндіруде қолданылатын CVD SiC технологиясы, егер сізде қандай да бір сұраулар болса немесе қосымша мәліметтер қажет болса, бізбен байланысудан тартынбаңыз.

Байланыс телефоны: +86-13567891907

Электрондық пошта: sales@semicorex.com