Ερευνητική πρόοδος επικαλύψεων TaC σε επιφάνειες υλικών με βάση τον άνθρακα

Ερευνητικό Ιστορικό

Τα υλικά με βάση τον άνθρακα όπως ο γραφίτης, οι ίνες άνθρακα και τα σύνθετα υλικά άνθρακα/άνθρακα (C/C) είναι γνωστά για την υψηλή ειδική αντοχή, το υψηλό ειδικό μέτρο και τις εξαιρετικές θερμικές ιδιότητες, καθιστώντας τα κατάλληλα για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών σε υψηλές θερμοκρασίες . Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται ευρέως στην αεροδιαστημική, τη χημική μηχανική και την αποθήκευση ενέργειας. Ωστόσο, η ευαισθησία τους στην οξείδωση και τη διάβρωση σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, μαζί με την κακή αντίσταση στις γρατσουνιές, περιορίζει την περαιτέρω εφαρμογή τους.

Με τις τεχνολογικές εξελίξεις, τα υπάρχοντα υλικά με βάση τον άνθρακα αδυνατούν όλο και περισσότερο να ανταποκριθούν στις αυστηρές απαιτήσεις των ακραίων περιβαλλόντων, ιδιαίτερα όσον αφορά την αντοχή στην οξείδωση και τη διάβρωση. Ως εκ τούτου, η βελτίωση της απόδοσης αυτών των υλικών έχει γίνει βασική ερευνητική κατεύθυνση.

Το καρβίδιο του τανταλίου (TaC) είναι ένα υλικό με εξαιρετικά υψηλό σημείο τήξης (3880°C), εξαιρετική μηχανική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και αντοχή στη διάβρωση. Επιδεικνύει επίσης καλή χημική συμβατότητα με υλικά με βάση τον άνθρακα.Επιστρώσεις TaCμπορεί να ενισχύσει σημαντικά την αντίσταση στην οξείδωση και τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών με βάση τον άνθρακα, διευρύνοντας την εφαρμογή τους σε ακραία περιβάλλοντα.

Ερευνητική πρόοδος επικαλύψεων TaC σε επιφάνειες υλικών με βάση τον άνθρακα

1. Υποστρώματα γραφίτη

Πλεονεκτήματα του γραφίτη:

Ο γραφίτης χρησιμοποιείται ευρέως στη μεταλλουργία υψηλής θερμοκρασίας, στις ενεργειακές μπαταρίες και στην κατασκευή ημιαγωγών λόγω της ανοχής του σε υψηλή θερμοκρασία (σημείο τήξης περίπου 3850°C), της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και της εξαιρετικής αντοχής σε θερμικό σοκ. Ωστόσο, ο γραφίτης είναι επιρρεπής σε οξείδωση και διάβρωση από τηγμένα μέταλλα σε υψηλές θερμοκρασίες.

Ρόλος τουΕπιστρώσεις TaC:

Οι επικαλύψεις TaC μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την αντίσταση στην οξείδωση, τη διάβρωση και τις μηχανικές ιδιότητες του γραφίτη, ενισχύοντας έτσι τις δυνατότητές του για εφαρμογές σε ακραία περιβάλλοντα.

Μέθοδοι και αποτελέσματα επίστρωσης:

(1) Ψεκασμός πλάσματος:

Έρευνα: Trignan et al. χρησιμοποιήθηκε ψεκασμός πλάσματος για την εναπόθεση πάχους 150 μmΕπικάλυψη TaCστην επιφάνεια του γραφίτη, ενισχύοντας σημαντικά την ανοχή του σε υψηλές θερμοκρασίες. Αν και η επίστρωση περιείχε TaC0.85 και Ta2C μετά τον ψεκασμό, παρέμεινε ανέπαφη χωρίς ρωγμές μετά από επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία στους 2000°C.

(2) Εναπόθεση χημικών ατμών (CVD):

Έρευνα: Lv et al. χρησιμοποίησε το σύστημα TaCl5-Ar-C3H6 για την προετοιμασία μιας πολυφασικής επίστρωσης C-TaC σε επιφάνειες γραφίτη χρησιμοποιώντας τη μέθοδο CVD. Η μελέτη τους αποκάλυψε ότι καθώς αυξανόταν η περιεκτικότητα σε άνθρακα στην επίστρωση, ο συντελεστής τριβής μειώθηκε, υποδεικνύοντας εξαιρετική αντοχή στη φθορά.

(3) Μέθοδος πυροσυσσωμάτωσης πολτού:

Έρευνα: Shen et al. παρασκεύασαν ένα εναιώρημα χρησιμοποιώντας TaCl5 και ακετυλακετόνη, το οποίο εφάρμοσαν σε επιφάνειες γραφίτη και στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε πυροσυσσωμάτωση σε υψηλή θερμοκρασία. Το προκύπτονΕπικάλυψη TaCΤα σωματίδια είχαν μέγεθος περίπου 1 μm και επέδειξαν καλή χημική σταθερότητα και σταθερότητα σε υψηλή θερμοκρασία μετά από επεξεργασία στους 2000°C.

Εικόνα 1

Το Σχήμα 1α παρουσιάζει το χωνευτήριο TaC που παρασκευάστηκε μέσω της μεθόδου CVD, ενώ τα Σχήματα 1b και 1c απεικονίζουν την κατάσταση του χωνευτηρίου υπό συνθήκες επιταξιακής ανάπτυξης MOCVD-GaN και ανάπτυξης εξάχνωσης AlN, αντίστοιχα. Αυτές οι εικόνες δείχνουν ότι ηΕπικάλυψη TaCόχι μόνο παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή στην κατάλυση σε ακραίες θερμοκρασίες, αλλά διατηρεί επίσης υψηλή δομική σταθερότητα σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας.

2. Υπόστρωμα από ανθρακονήματα

Χαρακτηριστικά των ινών άνθρακα:

Οι ίνες άνθρακα χαρακτηρίζονται από την υψηλή ειδική αντοχή και το υψηλό ειδικό μέτρο, μαζί με την εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα, τη θερμική αγωγιμότητα, την αντίσταση διάβρωσης σε οξέα και αλκάλια και τη σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, οι ίνες άνθρακα τείνουν να χάσουν αυτές τις ανώτερες ιδιότητες σε οξειδωτικά περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας.

Ρόλος τουΕπικάλυψη TaC:

Κατάθεση αΕπικάλυψη TaCστην επιφάνεια του ανθρακονήματος ενισχύει σημαντικά την αντίσταση στην οξείδωση και την αντίσταση στην ακτινοβολία, βελτιώνοντας έτσι την εφαρμογή του σε ακραία περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας.

Μέθοδοι και αποτελέσματα επίστρωσης:

(1) Διήθηση χημικών ατμών (CVI):

Έρευνα: Chen et al. κατατέθηκε αΕπικάλυψη TaCσε ανθρακονήματα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο CVI. Η μελέτη διαπίστωσε ότι σε θερμοκρασίες εναπόθεσης 950-1000°C, η επίστρωση TaC παρουσίαζε πυκνή δομή και εξαιρετική αντοχή στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες.

(2) Μέθοδος In Situ Αντίδρασης:

Έρευνα: Liu et al. παρασκευάστηκαν υφάσματα TaC/PyC σε βαμβακερές ίνες χρησιμοποιώντας την in situ μέθοδο αντίδρασης. Αυτά τα υφάσματα επέδειξαν εξαιρετικά υψηλή αποτελεσματικότητα ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης (75,0 dB), σημαντικά ανώτερη από τα παραδοσιακά υφάσματα PyC (24,4 dB).

(3) Μέθοδος λιωμένου αλατιού:

Έρευνα: Dong et al. προετοιμασμένος αΕπικάλυψη TaCστην επιφάνεια των ανθρακονημάτων με τη μέθοδο του λιωμένου άλατος. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι αυτή η επίστρωση ενίσχυσε σημαντικά την αντίσταση στην οξείδωση των ινών άνθρακα.

Εικόνα 2

Εικόνα 2: Το σχήμα 2 δείχνει εικόνες SEM αρχικών ινών άνθρακα και επικαλυμμένων με TaC ινών άνθρακα που παρασκευάζονται υπό διαφορετικές συνθήκες, μαζί με καμπύλες θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης (TGA) κάτω από διάφορες συνθήκες επικάλυψης.

Εικόνα 2α: Εμφανίζει τη μορφολογία των αρχικών ινών άνθρακα.

Εικόνα 2β: Δείχνει τη μορφολογία της επιφάνειας των επικαλυμμένων με TaC ινών άνθρακα που παρασκευάζονται στους 1000°C, με την επικάλυψη να είναι πυκνή και ομοιόμορφα κατανεμημένη.

Σχήμα 2γ: Οι καμπύλες TGA δείχνουν ότι τοΕπικάλυψη TaCενισχύει σημαντικά την αντίσταση στην οξείδωση των ινών άνθρακα, με την επίστρωση που παρασκευάζεται στους 1100°C να παρουσιάζει ανώτερη αντοχή στην οξείδωση.

3. C/C Composite Matrix

Χαρακτηριστικά των σύνθετων C/C:

Τα σύνθετα υλικά C/C είναι σύνθετα μήτρας άνθρακα ενισχυμένα με ίνες άνθρακα, γνωστά για το υψηλό ειδικό μέτρο και την υψηλή ειδική αντοχή τους, την καλή σταθερότητα θερμικών κραδασμών και την εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση σε υψηλή θερμοκρασία. Χρησιμοποιούνται κυρίως στους τομείς της αεροδιαστημικής, της αυτοκινητοβιομηχανίας και της βιομηχανικής παραγωγής. Ωστόσο, τα σύνθετα υλικά C/C είναι επιρρεπή σε οξείδωση σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας και έχουν κακή πλαστικότητα, γεγονός που περιορίζει την εφαρμογή τους σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Ρόλος τουΕπικάλυψη TaC:

Προετοιμασία αΕπικάλυψη TaCστην επιφάνεια των σύνθετων υλικών C/C μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την αντοχή τους στην κατάλυση, τη σταθερότητα σε θερμικό σοκ και τις μηχανικές τους ιδιότητες, επεκτείνοντας έτσι τις πιθανές εφαρμογές τους κάτω από ακραίες συνθήκες.

Μέθοδοι και αποτελέσματα επίστρωσης:

(1) Μέθοδος ψεκασμού πλάσματος:

Έρευνα: Feng et al. παρασκεύασε σύνθετες επικαλύψεις HfC-TaC σε σύνθετα υλικά C/C χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του υπερηχητικού ατμοσφαιρικού ψεκασμού πλάσματος (SAPS). Αυτές οι επικαλύψεις εμφάνισαν εξαιρετική αντοχή στην αφαίρεση υπό πυκνότητα ροής θερμότητας φλόγας 2,38 MW/m², με ρυθμό κατάλυσης μάζας μόνο 0,35 mg/s και γραμμικό ρυθμό αφαίρεσης 1,05 μm/s, υποδεικνύοντας εξαιρετική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες.

(2) Μέθοδος Sol-Gel:

Έρευνα: Ο He et al. έτοιμοςΕπιστρώσεις TaCσε σύνθετα υλικά C/C χρησιμοποιώντας τη μέθοδο sol-gel και τα πυροσυσσωματώθηκαν σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Η μελέτη αποκάλυψε ότι μετά την πυροσυσσωμάτωση στους 1600°C, η επίστρωση παρουσίασε την καλύτερη αντοχή στην κατάλυση, με μια συνεχή και πυκνή δομή με στρώματα.

(3) Εναπόθεση χημικών ατμών (CVD):

Έρευνα: Ren et al. αποτέθηκαν επιστρώσεις Hf(Ta)C σε σύνθετα υλικά C/C χρησιμοποιώντας το σύστημα HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar μέσω της μεθόδου CVD. Τα πειράματα έδειξαν ότι η επικάλυψη είχε ισχυρή πρόσφυση στο υπόστρωμα και μετά από 120 δευτερόλεπτα αφαίρεσης με φλόγα, ο ρυθμός κατάλυσης μάζας ήταν μόνο 0,97 mg/s με γραμμικό ρυθμό αφαίρεσης 1,32 μm/s, επιδεικνύοντας εξαιρετική αντοχή στην κατάλυση.

Εικόνα 3

Το σχήμα 3 δείχνει τη μορφολογία θραύσης των σύνθετων υλικών C/C με πολυστρωματικές επικαλύψεις PyC/SiC/TaC/PyC.

Σχήμα 3α: Εμφανίζει τη συνολική μορφολογία θραύσης της επικάλυψης, όπου μπορεί να παρατηρηθεί η ενδιάμεση δομή των επικαλύψεων.

Εικόνα 3β: Είναι μια μεγεθυμένη εικόνα της επικάλυψης, που δείχνει τις συνθήκες διεπαφής μεταξύ των στρωμάτων.

Σχήμα 3γ: Συγκρίνει τη διεπιφανειακή διατμητική αντοχή και την αντοχή σε κάμψη δύο διαφορετικών υλικών, υποδεικνύοντας ότι η πολυστρωματική δομή επίστρωσης ενισχύει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών C/C.

4. Επιστρώσεις TaC σε υλικά με βάση τον άνθρακα Παρασκευασμένα από την CVD

Η μέθοδος CVD μπορεί να παράγει υψηλής καθαρότητας, πυκνή και ομοιόμορφηΕπιστρώσεις TaCσε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, αποφεύγοντας τα ελαττώματα και τις ρωγμές που παρατηρούνται συνήθως σε άλλες μεθόδους προετοιμασίας σε υψηλές θερμοκρασίες.

Επίδραση των παραμέτρων CVD:

(1) Ρυθμός ροής αερίου:

Με την προσαρμογή του ρυθμού ροής αερίου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας CVD, η μορφολογία της επιφάνειας και η χημική σύνθεση της επικάλυψης μπορούν να ελεγχθούν αποτελεσματικά. Για παράδειγμα, οι Zhang et al. μελέτησε την επίδραση του ρυθμού ροής αερίου Ar σεΕπικάλυψη TaCανάπτυξη και διαπίστωσε ότι η αύξηση του ρυθμού ροής Ar επιβραδύνει την ανάπτυξη των κόκκων, με αποτέλεσμα μικρότερους και πιο ομοιόμορφους κόκκους.

(2) Θερμοκρασία εναπόθεσης:

Η θερμοκρασία εναπόθεσης επηρεάζει σημαντικά τη μορφολογία της επιφάνειας και τη χημική σύνθεση της επικάλυψης. Γενικά, οι υψηλότερες θερμοκρασίες εναπόθεσης επιταχύνουν τον ρυθμό εναπόθεσης αλλά μπορεί επίσης να αυξήσουν την εσωτερική τάση, οδηγώντας στο σχηματισμό ρωγμών. Οι Chen et al. βρήκε ότιΕπιστρώσεις TaCπου παρασκευάστηκε στους 800°C περιείχε μικρή ποσότητα ελεύθερου άνθρακα, ενώ στους 1000°C, οι επικαλύψεις αποτελούνταν κυρίως από κρυστάλλους TaC.

(3) Πίεση εναπόθεσης:

Η πίεση εναπόθεσης επηρεάζει κυρίως το μέγεθος των κόκκων και το ρυθμό εναπόθεσης της επικάλυψης. Οι μελέτες δείχνουν ότι καθώς αυξάνεται η πίεση εναπόθεσης, ο ρυθμός εναπόθεσης βελτιώνεται σημαντικά και το μέγεθος των κόκκων αυξάνεται, αν και η κρυσταλλική δομή της επικάλυψης παραμένει σε μεγάλο βαθμό αμετάβλητη.

Εικόνα 4

Εικόνα 5

Τα Σχήματα 4 και 5 απεικονίζουν τις επιδράσεις του ρυθμού ροής Η2 και της θερμοκρασίας εναπόθεσης στη σύνθεση και το μέγεθος κόκκων των επικαλύψεων.

Εικόνα 4: Δείχνει την επίδραση διαφορετικών ρυθμών ροής Η2 στη σύνθεση τουΕπιστρώσεις TaCστους 850°C και 950°C. Όταν ο ρυθμός ροής H2 είναι 100 mL/min, η επίστρωση αποτελείται κυρίως από TaC με μικρή ποσότητα Ta2C. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η προσθήκη Η2 έχει ως αποτέλεσμα μικρότερα και πιο ομοιόμορφα σωματίδια.

Εικόνα 5: Δείχνει τις αλλαγές στη μορφολογία της επιφάνειας και στο μέγεθος των κόκκωνΕπιστρώσεις TaCσε διαφορετικές θερμοκρασίες εναπόθεσης. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, το μέγεθος των κόκκων μεγαλώνει σταδιακά, μεταβαίνοντας από σφαιρικούς σε πολυεδρικούς κόκκους.

Αναπτυξιακές Τάσεις

Τρέχουσες προκλήσεις:

Αν καιΕπιστρώσεις TaCβελτιώνει σημαντικά την απόδοση των υλικών με βάση τον άνθρακα, η μεγάλη διαφορά στους συντελεστές θερμικής διαστολής μεταξύ του TaC και του υποστρώματος άνθρακα μπορεί να οδηγήσει σε ρωγμές και ξεφλούδισμα σε υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, ένα singleΕπικάλυψη TaCενδέχεται να μην πληροί τις απαιτήσεις εφαρμογής υπό ορισμένες ακραίες συνθήκες.

Λύσεις:

(1) Συστήματα σύνθετης επίστρωσης:

Για τη σφράγιση ρωγμών σε μία μόνο επίστρωση, μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολυστρωματικά σύνθετα συστήματα επίστρωσης. Για παράδειγμα, οι Feng et al. παρασκεύασε εναλλασσόμενες επικαλύψεις HfC-TaC/HfC-SiC σε σύνθετα υλικά C/C χρησιμοποιώντας τη μέθοδο SAPS, η οποία έδειξε ανώτερη αντοχή στην κατάλυση σε υψηλές θερμοκρασίες.

(2) Συστήματα επικάλυψης ενίσχυσης στερεών διαλυμάτων:

Τα HfC, ZrC και TaC έχουν την ίδια κυβική κρυσταλλική δομή με επίκεντρο την όψη και μπορούν να σχηματίσουν στερεά διαλύματα μεταξύ τους για να ενισχύσουν την αντίσταση στην κατάλυση. Για παράδειγμα, οι Wang et al. παρασκεύασε επιστρώσεις Hf(Ta)C χρησιμοποιώντας τη μέθοδο CVD, η οποία παρουσίασε εξαιρετική αντοχή στην κατάλυση υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας.

(3) Συστήματα επικάλυψης με κλίση:

Οι επιστρώσεις βαθμίδωσης ενισχύουν τη συνολική απόδοση παρέχοντας μια συνεχή κατανομή κλίσης της σύνθεσης επίστρωσης, η οποία μειώνει την εσωτερική καταπόνηση και τις αναντιστοιχίες στους συντελεστές θερμικής διαστολής. Li et al. παρασκεύασε επιστρώσεις βαθμίδωσης TaC/SiC που επέδειξαν εξαιρετική αντοχή σε θερμικό σοκ κατά τη διάρκεια δοκιμών αφαίρεσης με φλόγα στους 2300°C, χωρίς να παρατηρηθεί ρωγμές ή σκάσιμο.

Εικόνα 6

Το Σχήμα 6 απεικονίζει την αντοχή στην κατάλυση σύνθετων επικαλύψεων με διαφορετικές δομές. Το Σχήμα 6β δείχνει ότι οι εναλλασσόμενες δομές επίστρωσης μειώνουν τις ρωγμές σε υψηλές θερμοκρασίες, επιδεικνύοντας βέλτιστη αντοχή στην κατάλυση. Αντίθετα, το Σχήμα 6γ δείχνει ότι οι πολυστρωματικές επικαλύψεις είναι επιρρεπείς σε ξεφλούδισμα σε υψηλές θερμοκρασίες λόγω της παρουσίας πολλαπλών διεπαφών.

Συμπέρασμα και Outlook

Η παρούσα εργασία συνοψίζει συστηματικά την πρόοδο της έρευναςΕπιστρώσεις TaCσχετικά με γραφίτη, ίνες άνθρακα και σύνθετα υλικά C/C, συζητά την επίδραση των παραμέτρων CVD σεΕπικάλυψη TaCαπόδοση και αναλύει τρέχοντα ζητήματα.

Για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις εφαρμογής υλικών με βάση τον άνθρακα υπό ακραίες συνθήκες, απαιτούνται περαιτέρω βελτιώσεις στην αντίσταση κατάλυσης, στην αντίσταση στην οξείδωση και στη μηχανική σταθερότητα των επικαλύψεων TaC σε υψηλή θερμοκρασία. Επιπλέον, η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να εμβαθύνει στα βασικά ζητήματα στην προετοιμασία των επικαλύψεων CVD TaC, προωθώντας τις εξελίξεις στην εμπορική εφαρμογήΕπιστρώσεις TaC.**

---

Εμείς στη Semicorex ειδικευόμαστε στο SiC/Προϊόντα γραφίτη με επικάλυψη TaCκαι τεχνολογία CVD SiC που εφαρμόζεται στην κατασκευή ημιαγωγών, εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις ή χρειάζεστε πρόσθετες λεπτομέρειες, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας.

Τηλέφωνο επικοινωνίας: +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com