Kemajuan Penyelidikan Salutan TaC pada Permukaan Bahan Berasaskan Karbon

Latar Belakang Penyelidikan

Bahan berasaskan karbon seperti grafit, gentian karbon dan komposit karbon/karbon (C/C) terkenal dengan kekuatan spesifik tinggi, modulus spesifik tinggi dan sifat terma yang sangat baik, menjadikannya sesuai untuk pelbagai aplikasi suhu tinggi. . Bahan-bahan ini digunakan secara meluas dalam aeroangkasa, kejuruteraan kimia, dan penyimpanan tenaga. Walau bagaimanapun, kerentanannya terhadap pengoksidaan dan kakisan dalam persekitaran suhu tinggi, bersama-sama dengan rintangan calar yang lemah, menyekat penggunaan selanjutnya.

Dengan kemajuan teknologi, bahan berasaskan karbon sedia ada semakin tidak dapat memenuhi permintaan ketat persekitaran yang melampau, terutamanya mengenai pengoksidaan dan rintangan kakisan. Oleh itu, meningkatkan prestasi bahan-bahan ini telah menjadi hala tuju penyelidikan utama.

Tantalum karbida (TaC) ialah bahan dengan takat lebur yang sangat tinggi (3880°C), kestabilan mekanikal suhu tinggi yang sangat baik, dan rintangan kakisan. Ia juga mempamerkan keserasian kimia yang baik dengan bahan berasaskan karbon.salutan TaCboleh meningkatkan dengan ketara rintangan pengoksidaan dan sifat mekanikal bahan berasaskan karbon, meluaskan kebolehgunaannya dalam persekitaran yang melampau.

Kemajuan Penyelidikan Salutan TaC pada Permukaan Bahan Berasaskan Karbon

1. Substrat Grafit

Kelebihan Grafit:

Grafit digunakan secara meluas dalam metalurgi suhu tinggi, bateri tenaga, dan pembuatan semikonduktor kerana toleransi suhu tinggi (takat lebur sekitar 3850°C), kekonduksian terma yang tinggi, dan rintangan kejutan haba yang sangat baik. Walau bagaimanapun, grafit terdedah kepada pengoksidaan dan kakisan oleh logam cair pada suhu tinggi.

Peranan daripadaSalutan TaC:

Salutan TaC boleh meningkatkan dengan ketara rintangan pengoksidaan, rintangan kakisan, dan sifat mekanikal grafit, dengan itu meningkatkan potensinya untuk aplikasi dalam persekitaran yang melampau.

Kaedah dan Kesan Salutan:

(1) Penyemburan Plasma:

Penyelidikan: Trignan et al. menggunakan penyemburan plasma untuk memendapkan setebal 150 µmSalutan TaCpada permukaan grafit, meningkatkan toleransi suhu tinggi dengan ketara. Walaupun salutan itu mengandungi TaC0.85 dan Ta2C selepas semburan, ia kekal utuh tanpa retak selepas rawatan suhu tinggi pada 2000°C.

(2) Pemendapan Wap Kimia (CVD):

Penyelidikan: Lv et al. menggunakan sistem TaCl5-Ar-C3H6 untuk menyediakan salutan berbilang fasa C-TaC pada permukaan grafit menggunakan kaedah CVD. Kajian mereka mendedahkan bahawa apabila kandungan karbon dalam salutan meningkat, pekali geseran berkurangan, menunjukkan rintangan haus yang sangat baik.

(3) Kaedah Pensinteran Buburan:

Penyelidikan: Shen et al. menyediakan buburan menggunakan TaCl5 dan asetilaseton, yang digunakan pada permukaan grafit dan kemudian tertakluk kepada pensinteran suhu tinggi. Yang terhasilSalutan TaCzarah adalah kira-kira 1 µm dalam saiz dan menunjukkan kestabilan kimia yang baik dan kestabilan suhu tinggi selepas rawatan pada 2000°C.

Rajah 1

Rajah 1a membentangkan mangkuk pijar TaC yang disediakan melalui kaedah CVD, manakala Rajah 1b dan 1c menggambarkan keadaan mangkuk pijar di bawah pertumbuhan epitaxial MOCVD-GaN dan keadaan pertumbuhan sublimasi AlN. Imej-imej ini menunjukkan bahawaSalutan TaCbukan sahaja mempamerkan rintangan ablasi yang sangat baik pada suhu yang melampau tetapi juga mengekalkan kestabilan struktur yang tinggi di bawah keadaan suhu tinggi.

2. Substrat Serat Karbon

Ciri-ciri Serat Karbon:

Gentian karbon dicirikan oleh kekuatan spesifik yang tinggi dan modulus spesifik yang tinggi, bersama dengan kekonduksian elektrik yang sangat baik, kekonduksian terma, rintangan kakisan asid dan alkali, dan kestabilan suhu tinggi. Walau bagaimanapun, gentian karbon cenderung kehilangan sifat unggul ini dalam persekitaran pengoksidaan suhu tinggi.

Peranan daripadaSalutan TaC:

Mendepositkan aSalutan TaCpada permukaan gentian karbon dengan ketara meningkatkan rintangan pengoksidaan dan rintangan sinaran, dengan itu meningkatkan kebolehgunaannya dalam persekitaran suhu tinggi yang melampau.

Kaedah dan Kesan Salutan:

(1) Penyusupan Wap Kimia (CVI):

Penyelidikan: Chen et al. disimpan aSalutan TaCpada gentian karbon menggunakan kaedah CVI. Kajian mendapati bahawa pada suhu pemendapan 950-1000°C, salutan TaC mempamerkan struktur padat dan rintangan pengoksidaan yang sangat baik pada suhu tinggi.

(2) Kaedah Tindak Balas Dalam Situ:

Penyelidikan: Liu et al. menyediakan fabrik TaC/PyC pada gentian kapas menggunakan kaedah tindak balas in situ. Fabrik ini menunjukkan keberkesanan perisai elektromagnet yang sangat tinggi (75.0 dB), jauh lebih baik daripada fabrik PyC tradisional (24.4 dB).

(3) Kaedah Garam Lebur:

Penyelidikan: Dong et al. disediakan aSalutan TaCpada permukaan gentian karbon menggunakan kaedah garam lebur. Keputusan menunjukkan bahawa salutan ini meningkatkan rintangan pengoksidaan gentian karbon dengan ketara.

Rajah 2

Rajah 2: Rajah 2 menunjukkan imej SEM gentian karbon asal dan gentian karbon bersalut TaC yang disediakan dalam keadaan berbeza, bersama-sama dengan lengkung analisis termogravimetrik (TGA) di bawah pelbagai keadaan salutan.

Rajah 2a: Memaparkan morfologi gentian karbon asal.

Rajah 2b: Menunjukkan morfologi permukaan gentian karbon bersalut TaC yang disediakan pada 1000°C, dengan salutan itu padat dan teragih seragam.

Rajah 2c: Lengkung TGA menunjukkan bahawaSalutan TaCmeningkatkan dengan ketara rintangan pengoksidaan gentian karbon, dengan salutan yang disediakan pada 1100°C menunjukkan rintangan pengoksidaan yang unggul.

3. Matriks Komposit C/C

Ciri-ciri Komposit C/C:

Komposit C/C ialah komposit matriks karbon bertetulang gentian karbon, terkenal dengan modulus spesifik tinggi dan kekuatan spesifik tinggi, kestabilan kejutan haba yang baik dan rintangan kakisan suhu tinggi yang sangat baik. Ia digunakan terutamanya dalam bidang aeroangkasa, automotif dan pengeluaran perindustrian. Walau bagaimanapun, komposit C/C terdedah kepada pengoksidaan dalam persekitaran suhu tinggi dan mempunyai keplastikan yang lemah, yang mengehadkan penggunaannya pada suhu yang lebih tinggi.

Peranan daripadaSalutan TaC:

Menyediakan aSalutan TaCpada permukaan komposit C/C boleh meningkatkan rintangan ablasi dengan ketara, kestabilan kejutan haba dan sifat mekanikal, dengan itu mengembangkan potensi aplikasinya dalam keadaan yang melampau.

Kaedah dan Kesan Salutan:

(1) Kaedah Penyemburan Plasma:

Penyelidikan: Feng et al. menyediakan salutan komposit HfC-TaC pada komposit C/C menggunakan kaedah penyemburan plasma atmosfera supersonik (SAPS). Salutan ini mempamerkan rintangan ablasi yang sangat baik di bawah ketumpatan fluks haba nyalaan 2.38 MW/m², dengan kadar ablasi jisim hanya 0.35 mg/s dan kadar ablasi linear 1.05 µm/s, menunjukkan kestabilan yang luar biasa pada suhu tinggi.

(2) Kaedah Sol-Gel:

Penyelidikan: He et al. disediakansalutan TaCpada komposit C/C menggunakan kaedah sol-gel dan mensinterkannya pada suhu yang berbeza. Kajian itu mendedahkan bahawa selepas pensinteran pada 1600°C, salutan mempamerkan rintangan ablasi terbaik, dengan struktur berlapis yang berterusan dan padat.

(3) Pemendapan Wap Kimia (CVD):

Penyelidikan: Ren et al. memendapkan salutan Hf(Ta)C pada komposit C/C menggunakan sistem HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar melalui kaedah CVD. Eksperimen menunjukkan bahawa salutan mempunyai lekatan yang kuat pada substrat, dan selepas 120 saat ablasi nyalaan, kadar ablasi jisim hanya 0.97 mg/s dengan kadar ablasi linear 1.32 µm/s, menunjukkan rintangan ablasi yang sangat baik.

Rajah 3

Rajah 3 menunjukkan morfologi patah bagi komposit C/C dengan salutan PyC/SiC/TaC/PyC berbilang lapisan.

Rajah 3a: Memaparkan morfologi patah keseluruhan salutan, di mana struktur interlayer salutan boleh diperhatikan.

Rajah 3b: Merupakan imej salutan yang diperbesarkan, menunjukkan keadaan antara muka antara lapisan.

Rajah 3c: Membandingkan kekuatan ricih antara muka dan kekuatan lentur dua bahan berbeza, menunjukkan bahawa struktur salutan berbilang lapisan meningkatkan sifat mekanikal komposit C/C dengan ketara.

4. Salutan TaC pada Bahan Berasaskan Karbon Disediakan oleh CVD

Kaedah CVD boleh menghasilkan ketulenan tinggi, padat, dan seragamsalutan TaCpada suhu yang agak rendah, mengelakkan kecacatan dan keretakan yang biasa dilihat dalam kaedah penyediaan suhu tinggi yang lain.

Pengaruh Parameter CVD:

(1) Kadar Aliran Gas:

Dengan melaraskan kadar aliran gas semasa proses CVD, morfologi permukaan dan komposisi kimia salutan boleh dikawal dengan berkesan. Sebagai contoh, Zhang et al. mengkaji kesan kadar aliran gas Ar ke atasSalutan TaCpertumbuhan dan mendapati bahawa meningkatkan kadar aliran Ar melambatkan pertumbuhan bijirin, menghasilkan butiran yang lebih kecil dan lebih seragam.

(2) Suhu Pemendapan:

Suhu pemendapan memberi kesan ketara kepada morfologi permukaan dan komposisi kimia salutan. Secara amnya, suhu pemendapan yang lebih tinggi mempercepatkan kadar pemendapan tetapi juga boleh meningkatkan tekanan dalaman, yang membawa kepada pembentukan keretakan. Chen et al. mendapati bahawasalutan TaCyang disediakan pada 800°C mengandungi sejumlah kecil karbon bebas, manakala pada 1000°C, salutan terutamanya terdiri daripada kristal TaC.

(3) Tekanan Pemendapan:

Tekanan pemendapan terutamanya mempengaruhi saiz butiran dan kadar pemendapan salutan. Kajian menunjukkan bahawa apabila tekanan pemendapan meningkat, kadar pemendapan bertambah baik dengan ketara, dan saiz butiran bertambah, walaupun struktur kristal salutan kekal tidak berubah.

Rajah 4

Rajah 5

Rajah 4 dan 5 menggambarkan kesan kadar alir H2 dan suhu pemendapan ke atas komposisi dan saiz butiran salutan.

Rajah 4: Menunjukkan kesan kadar aliran H2 yang berbeza ke atas komposisisalutan TaCpada 850°C dan 950°C. Apabila kadar aliran H2 ialah 100 mL/min, salutan terutamanya terdiri daripada TaC dengan sejumlah kecil Ta2C. Pada suhu yang lebih tinggi, penambahan H2 menghasilkan zarah yang lebih kecil dan lebih seragam.

Rajah 5: Menunjukkan perubahan dalam morfologi permukaan dan saiz butiran bagisalutan TaCpada suhu pemendapan yang berbeza. Apabila suhu meningkat, saiz butiran secara beransur-ansur berkembang, beralih daripada butiran sfera kepada polihedral.

Trend Pembangunan

Cabaran Semasa:

Walaupunsalutan TaCdengan ketara meningkatkan prestasi bahan berasaskan karbon, perbezaan besar dalam pekali pengembangan haba antara TaC dan substrat karbon boleh menyebabkan keretakan dan spalling di bawah suhu tinggi. Selain itu, satuSalutan TaCmungkin masih gagal memenuhi keperluan permohonan dalam keadaan melampau tertentu.

Penyelesaian:

(1) Sistem Salutan Komposit:

Untuk mengelak keretakan dalam salutan tunggal, sistem salutan komposit berbilang lapisan boleh digunakan. Sebagai contoh, Feng et al. menyediakan salutan HfC-TaC/HfC-SiC berselang-seli pada komposit C/C menggunakan kaedah SAPS, yang menunjukkan rintangan ablasi yang unggul pada suhu tinggi.

(2) Sistem Salutan Pengukuhan Penyelesaian Pepejal:

HfC, ZrC, dan TaC mempunyai struktur hablur kubik berpusat muka yang sama dan boleh membentuk penyelesaian pepejal antara satu sama lain untuk meningkatkan rintangan ablasi. Sebagai contoh, Wang et al. menyediakan salutan Hf(Ta)C menggunakan kaedah CVD, yang mempamerkan rintangan ablasi yang sangat baik di bawah keadaan suhu tinggi.

(3) Sistem Salutan Kecerunan:

Salutan kecerunan meningkatkan prestasi keseluruhan dengan menyediakan taburan kecerunan berterusan komposisi salutan, yang mengurangkan tekanan dalaman dan ketidakpadanan dalam pekali pengembangan haba. Li et al. menyediakan salutan kecerunan TaC/SiC yang menunjukkan rintangan renjatan haba yang sangat baik semasa ujian ablasi nyalaan pada 2300°C, tanpa keretakan atau spalling yang diperhatikan.

Rajah 6

Rajah 6 menggambarkan rintangan ablasi salutan komposit dengan struktur yang berbeza. Rajah 6b menunjukkan bahawa struktur salutan berselang-seli mengurangkan keretakan pada suhu tinggi, menunjukkan rintangan ablasi yang optimum. Sebaliknya, Rajah 6c menunjukkan bahawa salutan berbilang lapisan terdedah kepada spalling pada suhu tinggi disebabkan oleh kehadiran berbilang antara muka.

Kesimpulan dan Pandangan

Kertas kerja ini secara sistematik meringkaskan kemajuan penyelidikan bagisalutan TaCpada grafit, gentian karbon, dan komposit C/C, membincangkan pengaruh parameter CVD padaSalutan TaCprestasi, dan menganalisis isu semasa.

Untuk memenuhi keperluan penggunaan bahan berasaskan karbon dalam keadaan yang melampau, penambahbaikan selanjutnya dalam rintangan ablasi, rintangan pengoksidaan dan kestabilan mekanikal suhu tinggi salutan TaC diperlukan. Selain itu, penyelidikan masa depan harus menyelidiki isu-isu utama dalam penyediaan salutan TaC CVD, mempromosikan kemajuan dalam aplikasi komersialsalutan TaC.**

---

Kami di Semicorex pakar dalam SiC/Produk grafit bersalut TaCdan teknologi CVD SiC digunakan dalam pembuatan semikonduktor, jika anda mempunyai sebarang pertanyaan atau memerlukan butiran tambahan, sila jangan teragak-agak untuk menghubungi kami.

Telefon untuk dihubungi: +86-13567891907

E-mel: sales@semicorex.com