Напредокот на истражувањето на TaC облогите на површини на материјали базирани на јаглерод

Истражувачка позадина

Материјалите базирани на јаглерод како што се графитот, јаглеродните влакна и композитите јаглерод/јаглерод (C/C) се познати по нивната висока специфична јачина, високиот специфичен модул и одличните термички својства, што ги прави погодни за широк спектар на апликации на високи температури . Овие материјали се широко користени во воздушната, хемиското инженерство и складирањето енергија. Сепак, нивната подложност на оксидација и корозија во средини со висока температура, заедно со слабата отпорност на гребење, ја ограничува нивната понатамошна примена.

Со технолошкиот напредок, постоечките материјали базирани на јаглерод сè повеќе не можат да ги задоволат строгите барања на екстремните средини, особено во однос на отпорноста на оксидација и корозија. Затоа, подобрувањето на перформансите на овие материјали стана клучна насока за истражување.

Тантал карбид (TaC) е материјал со исклучително висока точка на топење (3880°C), одлична механичка стабилност на високи температури и отпорност на корозија. Исто така, покажува добра хемиска компатибилност со материјали базирани на јаглерод.TaC облогиможе значително да ја подобри отпорноста на оксидација и механичките својства на материјалите базирани на јаглерод, проширувајќи ја нивната применливост во екстремни средини.

Напредокот на истражувањето на TaC облогите на површини на материјали базирани на јаглерод

1. Графитни подлоги

Предности на графитот:

Графитот е широко користен во металургијата на висока температура, енергетските батерии и производството на полупроводници поради неговата толеранција на висока температура (точка на топење околу 3850°C), висока топлинска спроводливост и одлична отпорност на термички удари. Сепак, графитот е подложен на оксидација и корозија од стопените метали на високи температури.

Улога наTaC облоги:

TaC облогите можат значително да ја подобрат отпорноста на оксидација, отпорноста на корозија и механичките својства на графитот, а со тоа да го подобрат неговиот потенцијал за примена во екстремни средини.

Методи и ефекти на обложување:

(1) Плазма прскање:

Истражување: Trignan et al. користеше плазма прскање за таложење на дебелина од 150 µmTaC облогана површината на графитот, значително ја подобрува неговата толеранција на висока температура. Иако облогата содржеше TaC0.85 и Ta2C после прскање, таа остана недопрена без пукање по третман на висока температура на 2000°C.

(2) Хемиско таложење на пареа (CVD):

Истражување: Lv et al. го употребил системот TaCl5-Ar-C3H6 за да подготви C-TaC повеќефазна обвивка на графитни површини користејќи го методот CVD. Нивната студија откри дека со зголемување на содржината на јаглерод во облогата, коефициентот на триење се намалува, што укажува на одлична отпорност на абење.

(3) Метод на синтерување со кашеста маса:

Истражување: Шен и сор. подготвија кашеста маса користејќи TaCl5 и ацетилацетон, која ја нанесоа на графитните површини, а потоа подложени на синтерување на висока температура. Како резултат наTaC облогачестичките беа со големина приближно 1 µm и покажаа добра хемиска стабилност и стабилност на висока температура по обработката на 2000°C.

Слика 1

Слика 1а го прикажува садот TaC подготвен преку CVD методот, додека сликите 1b и 1c ја илустрираат состојбата на садот под MOCVD-GaN епитаксијален раст и услови на раст на сублимација на AlN, соодветно. Овие слики покажуваат декаTaC облогане само што покажува одлична отпорност на аблација при екстремни температури, туку и одржува висока структурна стабилност при високи температурни услови.

2. Подлога од јаглеродни влакна

Карактеристики на јаглеродни влакна:

Јаглеродните влакна се карактеризираат со висока специфична јачина и висок специфичен модул, заедно со одлична електрична спроводливост, топлинска спроводливост, отпорност на киселинска и алкална корозија и стабилност на високи температури. Сепак, јаглеродните влакна имаат тенденција да ги губат овие супериорни својства во високотемпературни оксидативни средини.

Улога наTaC облога:

Депонирање аTaC облогана површината на јаглеродни влакна значително ја подобрува неговата отпорност на оксидација и отпорност на зрачење, а со тоа ја подобрува неговата применливост во средини со екстремни високи температури.

Методи и ефекти на обложување:

(1) Инфилтрација на хемиска пареа (CVI):

Истражување: Чен и сор. депонирани аTaC облогана јаглеродни влакна користејќи го методот CVI. Студијата покажа дека при температури на таложење од 950-1000°C, облогата TaC покажува густа структура и одлична отпорност на оксидација на високи температури.

(2) Метод на реакција на самото место:

Истражување: Лиу и сор. подготвени TaC/PyC ткаенини на памучни влакна користејќи го методот на реакција на самото место. Овие ткаенини покажаа екстремно висока ефикасност на електромагнетна заштита (75,0 dB), значително супериорна во однос на традиционалните PyC ткаенини (24,4 dB).

(3) Метод на стопена сол:

Истражување: Донг и сор. подготвен аTaC облогана површината на јаглеродни влакна користејќи го методот на стопена сол. Резултатите покажаа дека оваа обвивка значително ја подобрува отпорноста на оксидација на јаглеродните влакна.

Слика 2

Слика 2: Слика 2 покажува SEM слики на оригинални јаглеродни влакна и јаглеродни влакна обложени со TaC подготвени под различни услови, заедно со криви на термогравиметриска анализа (TGA) под различни услови на обложување.

Слика 2а: Ја прикажува морфологијата на оригиналните јаглеродни влакна.

Слика 2б: Ја прикажува морфологијата на површината на јаглеродните влакна обложени со TaC подготвени на 1000°C, при што облогата е густа и рамномерно распоредена.

Слика 2в: TGA кривите покажуваат декаTaC облогазначително ја подобрува отпорноста на оксидација на јаглеродните влакна, при што облогата подготвена на 1100°C покажува супериорна отпорност на оксидација.

3. C/C Композитна матрица

Карактеристики на C/C композитите:

C/C композитите се композити со јаглеродна матрица засилени со јаглеродни влакна, познати по нивниот висок специфичен модул и висока специфична цврстина, добра стабилност на термички шок и одлична отпорност на корозија на висока температура. Тие првенствено се користат во полето на воздушната, автомобилската и индустриското производство. Сепак, C/C композитите се склони кон оксидација во средини со висока температура и имаат слаба пластичност, што ја ограничува нивната примена на повисоки температури.

Улога наTaC облога:

Подготовка на аTaC облогана површината на C/C композитите може значително да ја подобрат нивната отпорност на аблација, стабилноста на термички шок и механичките својства, а со тоа да ги прошират нивните потенцијални апликации во екстремни услови.

Методи и ефекти на обложување:

(1) Метод на прскање со плазма:

Истражување: Фенг и сор. подготвени HfC-TaC композитни облоги на C/C композити користејќи го методот на суперсонично атмосферско плазма прскање (SAPS). Овие облоги покажаа одлична отпорност на аблација под густина на пламен топлински флукс од 2,38 MW/m², со брзина на маса на аблација од само 0,35 mg/s и линеарна стапка на аблација од 1,05 µm/s, што укажува на извонредна стабилност при високи температури.

(2) Метод на сол-гел:

Истражување: Тој и сор. подготвениTaC облогина C/C композити со методот сол-гел и нивно синтерување на различни температури. Студијата откри дека по синтерување на 1600°C, облогата покажа најдобра отпорност на аблација, со континуирана и густа слоевита структура.

(3) Хемиско таложење на пареа (CVD):

Истражување: Рен и сор. депонирани Hf(Ta)C премази на C/C композити користејќи го системот HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar преку CVD методата. Експериментите покажаа дека облогата има силна адхезија на подлогата и по 120 секунди аблација со пламен, брзината на масата на аблација беше само 0,97 mg/s со линеарна стапка на аблација од 1,32 µm/s, што покажува одлична отпорност на аблација.

Слика 3

Слика 3 ја прикажува морфологијата на фрактура на C/C композитите со повеќеслојни PyC/SiC/TaC/PyC облоги.

Слика 3а: Ја прикажува целокупната морфологија на фрактура на облогата, каде што може да се набљудува меѓуслојната структура на облогите.

Слика 3б: е зголемена слика на облогата, која ги прикажува условите на интерфејсот помеѓу слоевите.

Слика 3в: Ги споредува цврстината на смолкнување на површината и јакоста на свиткување на два различни материјали, што покажува дека структурата на повеќеслојната обвивка значително ги подобрува механичките својства на C/C композитите.

4. TaC облоги на материјали базирани на јаглерод Подготвени од CVD

CVD методот може да произведе висока чистота, густа и униформаTaC облогипри релативно ниски температури, избегнувајќи ги дефектите и пукнатините кои вообичаено се гледаат кај другите методи на подготовка на високи температури.

Влијание на параметрите на CVD:

(1) Стапка на проток на гас:

Со прилагодување на брзината на проток на гас за време на CVD процесот, морфологијата на површината и хемискиот состав на облогата може ефективно да се контролираат. На пример, Џанг и сор. го проучувал ефектот на протокот на гас Ar врзTaC облогарастот и откриле дека зголемувањето на брзината на проток на Ar го забавува растот на зрната, што резултира со помали и подеднакви зрна.

(2) Температура на таложење:

Температурата на таложење значително влијае на површинската морфологија и хемискиот состав на облогата. Општо земено, повисоките температури на таложење ја забрзуваат стапката на таложење, но исто така може да го зголемат внатрешниот стрес, што доведува до формирање на пукнатини. Чен и сор. откриле декаTaC облогиподготвени на 800°C содржеле мала количина на слободен јаглерод, додека на 1000°C, облогите главно се состоеле од TaC кристали.

(3) Притисок на таложење:

Притисокот на таложење првенствено влијае на големината на зрната и стапката на таложење на облогата. Истражувањата покажуваат дека како што се зголемува притисокот на таложење, стапката на таложење значително се подобрува, а големината на зрната се зголемува, иако кристалната структура на облогата останува главно непроменета.

Слика 4

Слика 5

Сликите 4 и 5 ги илустрираат ефектите на брзината на проток на H2 и температурата на таложење врз составот и големината на зрната на облогите.

Слика 4: Го прикажува ефектот на различните стапки на проток на H2 врз составот наTaC облогина 850°C и 950°C. Кога брзината на проток на H2 е 100 mL/min, облогата главно се состои од TaC со мала количина на Ta2C. На повисоки температури, додавањето на H2 резултира со помали и подеднакви честички.

Слика 5: Ги демонстрира промените во морфологијата на површината и големината на зрната наTaC облогипри различни температури на таложење. Како што се зголемува температурата, големината на зрното постепено расте, преминувајќи од сферични во полиедарни зрна.

Трендови за развој

Тековни предизвици:

ИакоTaC облогизначително ги подобрува перформансите на материјалите базирани на јаглерод, големата разлика во коефициентите на термичка експанзија помеѓу TaC и јаглеродната подлога може да доведе до пукнатини и распарчување при високи температури. Дополнително, синглTaC облогаможе сè уште да не ги исполнува барањата за апликација под одредени екстремни услови.

Решенија:

(1) Композитни системи за обложување:

За запечатување на пукнатини во еден слој, може да се користат повеќеслојни композитни системи за обложување. На пример, Фенг и сор. подготви наизменични HfC-TaC/HfC-SiC премази на C/C композити користејќи го методот SAPS, кој покажа супериорна отпорност на аблација на високи температури.

(2) Системи за обложување за зајакнување на цврст раствор:

HfC, ZrC и TaC имаат иста кубна кристална структура во центарот на лицето и можат да формираат цврсти раствори едни со други за да ја подобрат отпорноста на аблација. На пример, Ванг и сор. подготви Hf(Ta)C премази користејќи го CVD методот, кој покажа одлична отпорност на аблација во услови на висока температура.

(3) Градиентни системи за обложување:

Градиентните облоги ги подобруваат вкупните перформанси со обезбедување на континуирана градиентна дистрибуција на составот на облогата, што го намалува внатрешниот стрес и неусогласеноста во коефициентите на термичка експанзија. Ли и сор. подготвени TaC/SiC градиентни премази кои покажаа одлична отпорност на термички шок за време на тестовите за аблација со пламен на 2300°C, без забележано пукање или распарчување.

Слика 6

Слика 6 ја илустрира отпорноста на аблација на композитните премази со различни структури. Слика 6б покажува дека наизменичните структури за обложување ги намалуваат пукнатините при високи температури, покажувајќи оптимална отпорност на аблација. Спротивно на тоа, Слика 6в покажува дека повеќеслојните облоги се склони кон распарчување на високи температури поради присуството на повеќе интерфејси.

Заклучок и Outlook

Овој труд систематски го сумира напредокот на истражувањето наTaC облогина графит, јаглеродни влакна и C/C композити, го дискутира влијанието на параметрите на CVD врзTaC облогаперформанси, и ги анализира тековните проблеми.

За да се задоволат барањата за примена на материјалите базирани на јаглерод во екстремни услови, потребни се дополнителни подобрувања во отпорноста на аблација, отпорноста на оксидација и механичката стабилност на високи температури на TaC облогите. Дополнително, идните истражувања треба да истражуваат во клучните прашања во подготовката на CVD TaC облоги, промовирајќи напредок во комерцијалната примена наTaC облоги.**

---

Ние во Semicorex сме специјализирани за SiC/Производи од графит обложени со TaCи CVD SiC технологијата применета во производството на полупроводници, доколку имате какви било прашања или ви требаат дополнителни детали, не двоумете се да стапите во контакт со нас.

Телефон за контакт: +86-13567891907

Е-пошта: sales@semicorex.com