Salutan Karbon Pirolitik - Perisai Karbon Ditanam Daripada Gas

Karbon pirolitik, kadangkala dipanggil grafit pirolitik, ialah bahan metastabil antara grafit dan karbon amorf, yang dibentuk oleh proses pemendapan wap kimia gas yang mengandungi karbon (terutamanya gas hidrokarbon) pada suhu tinggi pada permukaan substrat. (Secara termodinamik, grafit ialah bahan karbon pepejal dengan tenaga bebas Gibbs terendah.)

01 Karbon Pirolitik dan Pemendapan Wap Kimia

Proses membentuk salutan pepejal dengan bertindak balas secara kimia sebatian prekursor di bawah keadaan proses tertentu dan mendepositkannya pada permukaan substrat yang akan disalut dipanggil pemendapan wap kimia. Gambar rajah skema langkah-langkah utama proses pemendapan wap kimia ditunjukkan di bawah:

(1) Prekursor memasuki zon tindak balas;

(2) Prekursor mengalami tindak balas fasa gas untuk membentuk produk perantaraan;

a. Apabila suhu dalam zon tindak balas adalah tinggi atau di kawasan yang jauh dari substrat pemendapan, produk perantaraan terus menjalani tindak balas fasa gas, membentuk serbuk pepejal dan hasil sampingan meruap dalam fasa gas. a. Serbuk pepejal yang bertaburan pada permukaan substrat pemendapan boleh menjadi tapak nukleasi untuk pemendapan permukaan, dan hasil sampingan yang tidak menentu meresap jauh dari zon tindak balas;

b. Apabila suhu dalam zon tindak balas adalah rendah atau di kawasan berhampiran dengan substrat pemendapan, produk perantaraan meresap pada permukaan substrat, dan langkah-langkah berikut berlaku:

(3) Produk perantaraan menjerap ke permukaan substrat, menjalani tindak balas heterogen untuk menghasilkan produk aktif pemendapan dan produk sampingan;

(4) Produk aktif pemendapan meresap pada permukaan substrat pemendapan, terkumpul untuk membentuk salutan berterusan;

(5) Hasil sampingan fasa gas meninggalkan kawasan berhampiran substrat pemendapan;

(6) Gas bahan mentah yang tidak bertindak balas dan hasil sampingan tindak balas meninggalkan zon tindak balas.

Pembentukan karbon pirolitik ialah proses pengurangan entropi yang tidak dapat dipulihkan di mana atom karbon berubah daripada gangguan kepada susunan dan daripada keadaan gas kepada keadaan pepejal pada suhu tinggi. Ia dikawal oleh arah muktamad termodinamik kimia, namun mengekalkan struktur mikro bukan keseimbangan melalui laluan kinetik. Pemahaman mendalam tentang proses ini bukan sahaja meletakkan asas material untuk komposit karbon-karbon, salutan suhu tinggi, dan pelapisan bahan api nuklear, tetapi juga menyediakan paradigma dwi rangka kerja eksperimen dan teori untuk kewujudan karbon dalam keadaan yang melampau.

02 Proses Penyediaan dan Penggunaan Karbon Pirolitik

Karbon pirolitik disediakan oleh pirolisis suhu tinggi hidrokarbon dalam persekitaran bebas oksigen pada 1200-1400 ℃. Reaktor katil terbendalir menegak digunakan, dan prosesnya melibatkan langkah-langkah berikut: gas lengai (nitrogen atau helium) diperkenalkan dari bahagian bawah tiub tindak balas untuk mencairkan zarah refraktori; gegelung aruhan luaran memanaskan kandungan tiub tindak balas; dan gas hidrokarbon ditambah untuk memulakan tindak balas pirolisis.

Karbon pirolitik digunakan terutamanya sebagai salutan pelindung suhu tinggi, untuk injap jantung, salutan biomaterial, dan salutan pelindung untuk sfera bahan api reaktor nuklear, dan digunakan secara meluas dalam perlindungan medan haba, penggunaan tenaga nuklear dan bioperubatan.

03 Salutan Pelindung Suhu Tinggi untuk Karbon Pirolitik

Silikon, sebagai bahan semikonduktor yang paling biasa, digunakan secara meluas dalam elektronik dan fotovoltaik, terutamanya dalam silikon kristal untuk sel solar, di mana kecekapan penukaran fotoelektriknya yang tinggi menjadikannya komponen teras. Kaedah Czochralski digunakan terutamanya untuk penyediaan silikon kristal tunggal. Kaedah ini, dengan kecekapan pengeluaran yang tinggi, proses pertumbuhan terkawal, dan kelebihan kawalan doping, digunakan secara meluas dalam pengeluaran silikon kristal tunggal di dalam dan di luar negara. Walau bagaimanapun, apabila saiz kristal meningkat, kos medan haba grafit juga meningkat secara beransur-ansur. Terutamanya dalam persekitaran wap silikon, komponen grafit terdedah kepada kakisan, yang membawa kepada jangka hayat peralatan yang dipendekkan. Untuk menangani isu ini, penyelidik telah membangunkan salutan tahan kakisan untuk bahan karbon, seperti salutan karbon pirolitik (PyC), silikon karbida (SiC), dan tantalum karbida (TaC), untuk meningkatkan jangka hayat bahan karbon dalam persekitaran menghakis suhu tinggi.

Cao mengkaji kakisan silisid grafit G330 dan komposit AC200C/C yang digunakan dalam relau silikon kristal tunggal. Mereka membuat kesimpulan bahawa liang terbuka yang memanjang dari bahagian dalam grafit ke permukaan menyediakan saluran untuk hakisan dan resapan silikon cair, mempercepatkan proses silisid bahan karbon.

Zhao mendepositkan salutan karbon pirolitik (PyC) pada permukaan grafit menggunakan pemendapan wap kimia. Salutan PyC yang terhasil meliputi sepenuhnya substrat grafit dan mempamerkan struktur padat tanpa keliangan yang ketara atau retakan mikro yang menembusi. Selepas merawat bahan grafit bersalut dalam persekitaran goresan wap silikon pada 1600℃ selama 2 jam, morfologi keratan rentas salutan dan keputusan ujian EDX ditunjukkan dalam rajah di bawah. Rajah a menunjukkan bahawa walaupun selepas etsa silikon, salutan itu kekal melekat pada permukaan substrat tanpa retak yang jelas. Pengagihan unsur karbon dan silikon pada permukaan menunjukkan hampir tiada taburan silikon di bawah salutan PyC, menunjukkan kesan perlindungannya yang sangat baik pada substrat grafit.

Rajah - Morfologi keratan rentas grafit bersalut PyC selepas goresan silikon

Semicorex membekalkan komponen salutan TyC/SiC/TaC tersuai berkualiti tinggi yang digunakan dalam semikonduktor. Untuk penyelesaian tersuai atau maklumat teknikal tambahan, sila hubungi pasukan kejuruteraan kami.

Telefon: +86-13567891907

E-mel: sales@semicorex.com