TaC dangų ant anglies pagrindu pagamintų medžiagų paviršių tyrimų eiga

Tyrimo fonas

Anglies pagrindu pagamintos medžiagos, tokios kaip grafitas, anglies pluoštai ir anglies/anglies (C/C) kompozitai, yra žinomi dėl savo didelio specifinio stiprumo, didelio specifinio modulio ir puikių šiluminių savybių, todėl tinka įvairiems darbams aukštoje temperatūroje. . Šios medžiagos plačiai naudojamos kosminėje erdvėje, chemijos inžinerijoje ir energijos kaupime. Tačiau jų jautrumas oksidacijai ir korozijai aukštos temperatūros aplinkoje, taip pat prastas atsparumas įbrėžimams, riboja tolesnį jų naudojimą.

Tobulėjant technologijoms, esamos anglies pagrindu pagamintos medžiagos vis labiau negali patenkinti griežtų ekstremalios aplinkos reikalavimų, ypač dėl atsparumo oksidacijai ir korozijai. Todėl šių medžiagų veiksmingumo gerinimas tapo pagrindine tyrimų kryptimi.

Tantalo karbidas (TaC) yra medžiaga, turinti itin aukštą lydymosi temperatūrą (3880°C), puikų mechaninį stabilumą aukštoje temperatūroje ir atsparumą korozijai. Jis taip pat pasižymi geru cheminiu suderinamumu su anglies pagrindu pagamintomis medžiagomis.TaC dangosgali žymiai padidinti anglies pagrindu pagamintų medžiagų atsparumą oksidacijai ir mechanines savybes, praplečiant jų pritaikymą ekstremaliose aplinkose.

TaC dangų ant anglies pagrindu pagamintų medžiagų paviršių tyrimų eiga

1. Grafito substratai

Grafito privalumai:

Grafitas plačiai naudojamas aukštos temperatūros metalurgijoje, energijos baterijose ir puslaidininkių gamyboje dėl savo aukštos temperatūros tolerancijos (lydymosi temperatūra apie 3850 °C), didelio šilumos laidumo ir puikaus atsparumo šiluminiam smūgiui. Tačiau aukštoje temperatūroje grafitas yra linkęs oksiduotis ir korozuoti išlydytus metalus.

VaidmuoTaC dangos:

TaC dangos gali žymiai pagerinti grafito atsparumą oksidacijai, atsparumą korozijai ir mechanines savybes, taip padidindamos jo galimybes naudoti ekstremaliose aplinkose.

Dengimo būdai ir poveikis:

(1) Plazminis purškimas:

Tyrimas: Trignan ir kt. naudojamas plazminis purškimas 150 µm storio sluoksniui nusodintiTaC dangaant grafito paviršiaus, žymiai padidindamas jo atsparumą aukštai temperatūrai. Nors dangoje buvo TaC0,85 ir Ta2C po purškimo, ji išliko nepažeista be įtrūkimų po apdorojimo aukšta temperatūra 2000 ° C temperatūroje.

(2) Cheminis nusodinimas iš garų (CVD):

Tyrimas: Lv ir kt. naudojo TaCl5-Ar-C3H6 sistemą C-TaC daugiafazei dangai ant grafito paviršių paruošti naudojant CVD metodą. Jų tyrimas atskleidė, kad padidėjus anglies kiekiui dangoje sumažėjo trinties koeficientas, o tai rodo puikų atsparumą dilimui.

(3) Srutų sukepinimo metodas:

Tyrimas: Shen ir kt. paruošė suspensiją naudojant TaCl5 ir acetilacetoną, kurią užtepė ant grafito paviršių ir tada sukepino aukštoje temperatūroje. GautasTaC dangadalelės buvo maždaug 1 µm dydžio ir įrodė gerą cheminį stabilumą ir stabilumą aukštoje temperatūroje po apdorojimo 2000 ° C temperatūroje.

1 pav

1a paveiksle parodytas TaC tiglis, paruoštas naudojant CVD metodą, o 1b ir 1c paveikslai iliustruoja tiglio būklę atitinkamai MOCVD-GaN epitaksinio augimo ir AlN sublimacijos augimo sąlygomis. Šie vaizdai rodo, kadTaC dangane tik pasižymi puikiu atsparumu abliacijai esant ekstremalioms temperatūroms, bet ir išlaiko aukštą konstrukcijos stabilumą esant aukštai temperatūrai.

2. Anglies pluošto substratas

Anglies pluošto savybės:

Anglies pluoštas pasižymi dideliu specifiniu stiprumu ir dideliu specifiniu moduliu, puikiu elektros laidumu, šilumos laidumu, atsparumu rūgščių ir šarmų korozijai ir stabilumu aukštoje temperatūroje. Tačiau anglies pluoštas paprastai praranda šias puikias savybes aukštos temperatūros oksidacinėje aplinkoje.

VaidmuoTaC danga:

Deponavimas aTaC dangaant anglies pluošto paviršiaus žymiai padidina jo atsparumą oksidacijai ir atsparumą spinduliuotei, taip pagerindamas jo pritaikymą ekstremaliose aukštos temperatūros aplinkoje.

Dengimo būdai ir poveikis:

(1) Cheminių garų infiltracija (CVI):

Tyrimas: Chen ir kt. deponuotas aTaC dangaant anglies pluošto naudojant CVI metodą. Tyrimas parodė, kad esant 950–1000 °C nusodinimo temperatūrai, TaC danga pasižymėjo tankia struktūra ir puikiu atsparumu oksidacijai aukštoje temperatūroje.

(2) In situ reakcijos metodas:

Tyrimas: Liu ir kt. paruošti TaC/PyC audiniai ant medvilnės pluoštų, naudojant in situ reakcijos metodą. Šie audiniai demonstravo itin aukštą elektromagnetinio ekranavimo efektyvumą (75,0 dB), žymiai pranašesnį už tradicinius PyC audinius (24,4 dB).

(3) Lydytos druskos metodas:

Tyrimas: Dong ir kt. paruoštas aTaC dangaant anglies pluošto paviršiaus naudojant išlydytos druskos metodą. Rezultatai parodė, kad ši danga žymiai padidino anglies pluošto atsparumą oksidacijai.

2 pav

2 paveikslas: 2 paveiksle pavaizduoti originalių anglies pluoštų ir TaC dengtų anglies pluoštų SEM vaizdai, paruošti skirtingomis sąlygomis, kartu su termogravimetrinės analizės (TGA) kreivėmis įvairiomis dengimo sąlygomis.

2a paveikslas: rodoma originalių anglies pluoštų morfologija.

2b paveikslas: parodyta TaC dengtų anglies pluoštų, paruoštų 1000 °C temperatūroje, paviršiaus morfologija, kai danga yra tanki ir tolygiai paskirstyta.

2c paveikslas: TGA kreivės rodo, kadTaC dangažymiai padidina anglies pluošto atsparumą oksidacijai, o 1100 °C temperatūroje paruošta danga pasižymi puikiu atsparumu oksidacijai.

3. C/C sudėtinė matrica

C/C kompozitų charakteristikos:

C/C kompozitai yra anglies pluoštu sustiprinti anglies matricos kompozitai, žinomi dėl savo didelio specifinio modulio ir didelio specifinio stiprumo, gero stabilumo šiluminiam smūgiui ir puikaus atsparumo korozijai aukštoje temperatūroje. Jie daugiausia naudojami aviacijos, automobilių ir pramonės gamybos srityse. Tačiau C / C kompozitai yra linkę oksiduotis aukštos temperatūros aplinkoje ir turi prastą plastiškumą, o tai riboja jų naudojimą aukštesnėje temperatūroje.

VaidmuoTaC danga:

Ruošiantis aTaC dangaant C/C kompozitų paviršiaus gali žymiai pagerinti jų atsparumą abliacijai, stabilumą šiluminiam smūgiui ir mechanines savybes, taip išplečiant jų galimą pritaikymą ekstremaliomis sąlygomis.

Dengimo būdai ir poveikis:

(1) Plazminio purškimo metodas:

Tyrimas: Feng ir kt. paruoštos HfC-TaC kompozitinės dangos ant C/C kompozitų, naudojant viršgarsinio atmosferos plazmos purškimo (SAPS) metodą. Šios dangos pasižymėjo puikiu atsparumu abliacijai, kai liepsnos šilumos srauto tankis yra 2,38 MW/m², masės abliacijos greitis buvo tik 0,35 mg/s, o tiesinis abliacijos greitis – 1,05 µm/s, o tai rodo puikų stabilumą aukštoje temperatūroje.

(2) Sol-Gel metodas:

Tyrimas: He ir kt. paruoštasTaC dangosant C/C kompozitų, naudojant sol-gel metodą, ir sukepinti juos skirtingose ​​temperatūrose. Tyrimas atskleidė, kad po sukepinimo 1600 °C temperatūroje danga pasižymėjo geriausiu atsparumu abliacijai, ištisinės ir tankios sluoksninės struktūros.

(3) Cheminis nusodinimas iš garų (CVD):

Tyrimas: Ren ir kt. deponuotos Hf(Ta)C dangos ant C/C kompozitų, naudojant HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar sistemą CVD metodu. Eksperimentai parodė, kad danga stipriai sukimba su pagrindu, o po 120 sekundžių liepsnos abliacijos masės abliacijos greitis buvo tik 0,97 mg/s, o tiesinis abliacijos greitis 1,32 µm/s, o tai rodo puikų atsparumą abliacijai.

3 pav

3 paveiksle parodyta C/C kompozitų su daugiasluoksnėmis PyC/SiC/TaC/PyC dangomis lūžimo morfologija.

3a paveikslas: rodoma bendra dangos lūžio morfologija, kur galima stebėti dangų tarpsluoksninę struktūrą.

3b paveikslas: yra padidintas dangos vaizdas, rodantis sąsajos sąlygas tarp sluoksnių.

3c paveikslas: Palyginamas dviejų skirtingų medžiagų paviršiaus šlyties stiprumas ir atsparumas lenkimui, o tai rodo, kad daugiasluoksnė dangos struktūra žymiai pagerina C / C kompozitų mechanines savybes.

4. TaC dangos ant anglies pagrindu pagamintų medžiagų, paruoštos CVD

Taikant CVD metodą galima gauti didelio grynumo, tankų ir vienodąTaC dangosesant santykinai žemai temperatūrai, išvengiant defektų ir įtrūkimų, dažniausiai matomų taikant kitus aukštoje temperatūroje paruošimo būdus.

CVD parametrų įtaka:

(1) Dujų srautas:

Reguliuojant dujų srautą CVD proceso metu, galima veiksmingai kontroliuoti dangos paviršiaus morfologiją ir cheminę sudėtį. Pavyzdžiui, Zhang ir kt. ištyrė Ar dujų srauto greičio įtakąTaC dangaaugimą ir nustatė, kad padidinus Ar srauto greitį, grūdų augimas sulėtėja, todėl grūdai būna mažesni ir vienodesni.

(2) Nusodinimo temperatūra:

Nusodinimo temperatūra reikšmingai veikia dangos paviršiaus morfologiją ir cheminę sudėtį. Paprastai aukštesnė nusodinimo temperatūra pagreitina nusodinimo greitį, bet taip pat gali padidinti vidinį įtempį, dėl kurio gali susidaryti įtrūkimai. Chen ir kt. rado taiTaC dangos800 ° C temperatūroje buvo nedidelis kiekis laisvos anglies, o 1000 ° C temperatūroje dangas daugiausia sudarė TaC kristalai.

(3) Nusėdimo slėgis:

Nusėdimo slėgis pirmiausia turi įtakos dangos grūdelių dydžiui ir nusodinimo greičiui. Tyrimai rodo, kad didėjant nusodinimo slėgiui, nusėdimo greitis žymiai pagerėja, o grūdelių dydis didėja, nors dangos kristalinė struktūra iš esmės nesikeičia.

4 pav

5 pav

4 ir 5 paveikslai iliustruoja H2 srauto ir nusodinimo temperatūros poveikį dangų sudėčiai ir grūdelių dydžiui.

4 paveikslas: parodyta skirtingų H2 srautų įtaka sudėčiaiTaC dangos850°C ir 950°C temperatūroje. Kai H2 srautas yra 100 ml/min, dangą daugiausia sudaro TaC ir nedidelis Ta2C kiekis. Aukštesnėje temperatūroje, pridėjus H2, susidaro mažesnės ir vienodesnės dalelės.

5 paveikslas: parodo paviršiaus morfologijos ir grūdelių dydžio pokyčiusTaC dangosesant skirtingoms nusodinimo temperatūroms. Kylant temperatūrai, grūdelių dydis palaipsniui didėja, pereinant nuo sferinių į daugiakampius.

Plėtros tendencijos

Dabartiniai iššūkiai:

NorsTaC dangosžymiai pagerina anglies pagrindu pagamintų medžiagų našumą, didelis šiluminio plėtimosi koeficientų skirtumas tarp TaC ir anglies pagrindo gali sukelti įtrūkimus ir skilimą esant aukštai temperatūrai. Be to, vienaTaC dangavis tiek gali neatitikti taikymo reikalavimų tam tikromis ekstremaliomis sąlygomis.

Sprendimai:

(1) Sudėtinės dangos sistemos:

Vienos dangos įtrūkimams sandarinti galima naudoti daugiasluoksnes kompozitines dangų sistemas. Pavyzdžiui, Feng ir kt. paruoštos kintamos HfC-TaC/HfC-SiC dangos ant C/C kompozitų, naudojant SAPS metodą, kurios parodė puikų atsparumą abliacijai aukštoje temperatūroje.

(2) Kietą tirpalą stiprinančios dangos sistemos:

HfC, ZrC ir TaC turi tą pačią į veidą nukreiptą kubinę kristalų struktūrą ir gali sudaryti kietus tirpalus vienas su kitu, kad padidintų atsparumą abliacijai. Pavyzdžiui, Wang ir kt. CVD metodu paruoštos Hf(Ta)C dangos, kurios pasižymi puikiu atsparumu abliacijai esant aukštai temperatūrai.

(3) Gradientinės dangos sistemos:

Gradientinės dangos pagerina bendrą našumą užtikrindamos nuolatinį dangos sudėties gradiento pasiskirstymą, o tai sumažina vidinį įtempį ir šiluminio plėtimosi koeficientų neatitikimus. Li ir kt. paruoštos TaC / SiC gradientinės dangos, kurios parodė puikų atsparumą šiluminiam smūgiui atliekant liepsnos abliacijos bandymus 2300 ° C temperatūroje, nepastebėtas įtrūkimų ar skilimų.

6 pav

6 paveiksle pavaizduotas skirtingų struktūrų kompozitinių dangų atsparumas abliacijai. 6b paveiksle parodyta, kad kintamos dangos struktūros sumažina įtrūkimus aukštoje temperatūroje ir pasižymi optimaliu atsparumu abliacijai. Priešingai, 6c paveikslas rodo, kad daugiasluoksnės dangos yra linkusios nuskilti aukštoje temperatūroje dėl kelių sąsajų.

Išvada ir perspektyva

Šiame straipsnyje sistemingai apibendrinama tyrimų eigaTaC dangosapie grafitą, anglies pluoštą ir C/C kompozitus, aptaria CVD parametrų įtakąTaC dangaveiklos rezultatus ir analizuoja esamas problemas.

Norint patenkinti anglies pagrindo medžiagų naudojimo ekstremaliomis sąlygomis reikalavimus, reikia toliau tobulinti TaC dangų atsparumą abliacijai, atsparumą oksidacijai ir mechaninį stabilumą aukštoje temperatūroje. Be to, atliekant būsimus tyrimus reikėtų gilintis į pagrindinius CVD TaC dangų paruošimo klausimus, skatinant komercinio taikymo pažangą.TaC dangos.**

---

Mes, Semicorex, specializuojamės SiC/TaC dengti grafito gaminiaiir CVD SiC technologija, taikoma puslaidininkių gamyboje, jei turite klausimų ar reikia papildomos informacijos, nedvejodami susisiekite su mumis.

Telefonas pasiteirauti: +86-13567891907

paštas: sales@semicorex.com