Napredek raziskav TaC prevlek na površinah materialov na osnovi ogljika

Raziskovalno ozadje

Materiali na osnovi ogljika, kot so grafit, ogljikova vlakna in kompoziti ogljik/ogljik (C/C), so znani po svoji visoki specifični trdnosti, visokem specifičnem modulu in odličnih toplotnih lastnostih, zaradi česar so primerni za široko paleto visokotemperaturnih aplikacij . Ti materiali se pogosto uporabljajo v letalstvu, kemijskem inženiringu in shranjevanju energije. Vendar pa njihova dovzetnost za oksidacijo in korozijo v okoljih z visoko temperaturo, skupaj s slabo odpornostjo na praske, omejuje njihovo nadaljnjo uporabo.

S tehnološkim napredkom obstoječi materiali na osnovi ogljika vedno bolj ne morejo izpolniti strogih zahtev ekstremnih okolij, zlasti glede odpornosti proti oksidaciji in koroziji. Zato je izboljšanje učinkovitosti teh materialov postalo ključna smer raziskav.

Tantalov karbid (TaC) je material z izjemno visokim tališčem (3880 °C), odlično mehansko stabilnostjo pri visokih temperaturah in odpornostjo proti koroziji. Izkazuje tudi dobro kemično združljivost z materiali na osnovi ogljika.TaC premazilahko znatno izboljša odpornost proti oksidaciji in mehanske lastnosti materialov na osnovi ogljika, s čimer razširi njihovo uporabnost v ekstremnih okoljih.

Napredek raziskav TaC prevlek na površinah materialov na osnovi ogljika

1. Grafitne podlage

Prednosti grafita:

Grafit se pogosto uporablja v visokotemperaturni metalurgiji, energetskih baterijah in proizvodnji polprevodnikov zaradi visoke temperaturne tolerance (tališče okoli 3850 °C), visoke toplotne prevodnosti in odlične odpornosti na toplotni udar. Vendar je grafit nagnjen k oksidaciji in koroziji zaradi staljenih kovin pri visokih temperaturah.

Vloga odTaC premazi:

Premazi TaC lahko bistveno izboljšajo odpornost proti oksidaciji, odpornost proti koroziji in mehanske lastnosti grafita, s čimer povečajo njegov potencial za uporabo v ekstremnih okoljih.

Metode premazovanja in učinki:

(1) Plazemsko pršenje:

Raziskava: Trignan et al. uporabil razprševanje s plazmo za nanos debeline 150 µmTaC prevlekana površini grafita, kar znatno poveča njegovo odpornost na visoke temperature. Čeprav je premaz vseboval TaC0,85 in Ta2C po razprševanju, je po visokotemperaturni obdelavi pri 2000 °C ostal nedotaknjen brez razpok.

(2) Kemično naparjanje (CVD):

Raziskava: Lv et al. uporabil sistem TaCl5-Ar-C3H6 za pripravo večfazne prevleke C-TaC na grafitnih površinah z metodo CVD. Njihova študija je pokazala, da se je ko se je vsebnost ogljika v prevleki povečala, koeficient trenja zmanjšal, kar kaže na odlično odpornost proti obrabi.

(3) Metoda sintranja gnojevke:

Raziskava: Shen et al. pripravili suspenzijo z uporabo TaCl5 in acetilacetona, ki so jo nanesli na grafitne površine in nato izpostavili visokotemperaturnemu sintranju. PosledičnoTaC prevlekadelci so bili veliki približno 1 µm in so pokazali dobro kemijsko stabilnost in visokotemperaturno stabilnost po obdelavi pri 2000 °C.

Slika 1

Slika 1a predstavlja TaC lonček, pripravljen z metodo CVD, medtem ko sliki 1b in 1c prikazujeta stanje lončka pri epitaksialni rasti MOCVD-GaN oziroma sublimacijski rasti AlN. Te slike dokazujejo, daTaC prevlekane kaže le odlične odpornosti proti ablaciji pri ekstremnih temperaturah, ampak tudi ohranja visoko strukturno stabilnost v pogojih visokih temperatur.

2. Substrat iz ogljikovih vlaken

Značilnosti ogljikovih vlaken:

Za ogljikova vlakna je značilna visoka specifična trdnost in visok specifični modul, skupaj z odlično električno prevodnostjo, toplotno prevodnostjo, odpornostjo proti kislinski in bazični koroziji ter visokotemperaturno stabilnostjo. Vendar pa ogljikova vlakna ponavadi izgubijo te vrhunske lastnosti v visokotemperaturnih oksidativnih okoljih.

Vloga odTaC premaz:

Deponiranje aTaC prevlekana površini ogljikovih vlaken občutno poveča njegovo odpornost proti oksidaciji in odpornost proti sevanju, s čimer se izboljša njegova uporabnost v ekstremno visokotemperaturnih okoljih.

Metode premazovanja in učinki:

(1) Infiltracija s kemičnimi hlapi (CVI):

Raziskava: Chen et al. deponiran aTaC prevlekana ogljikovih vlaknih po metodi CVI. Študija je pokazala, da ima prevleka TaC pri temperaturah nanašanja 950-1000 °C gosto strukturo in odlično odpornost proti oksidaciji pri visokih temperaturah.

(2) Reakcijska metoda in situ:

Raziskava: Liu et al. pripravljene tkanine TaC/PyC na bombažnih vlaknih z metodo reakcije in situ. Te tkanine so pokazale izredno visoko učinkovitost elektromagnetne zaščite (75,0 dB), bistveno večjo od tradicionalnih tkanin PyC (24,4 dB).

(3) Metoda s staljeno soljo:

Raziskava: Dong et al. pripravili aTaC prevlekana površini ogljikovih vlaken z metodo staljene soli. Rezultati so pokazali, da je ta prevleka znatno povečala odpornost ogljikovih vlaken proti oksidaciji.

Slika 2

Slika 2: Slika 2 prikazuje slike SEM originalnih ogljikovih vlaken in ogljikovih vlaken, prevlečenih s TaC, pripravljenih pod različnimi pogoji, skupaj s krivuljami termogravimetrične analize (TGA) pri različnih pogojih prevleke.

Slika 2a: prikazuje morfologijo originalnih ogljikovih vlaken.

Slika 2b: prikazuje površinsko morfologijo ogljikovih vlaken, prevlečenih s TaC, pripravljenih pri 1000 °C, pri čemer je prevleka gosta in enakomerno porazdeljena.

Slika 2c: Krivulje TGA kažejo, da jeTaC prevlekaznatno poveča odpornost ogljikovih vlaken na oksidacijo, pri čemer prevleka, pripravljena pri 1100 °C, kaže vrhunsko odpornost na oksidacijo.

3. C/C kompozitna matrica

Značilnosti C/C kompozitov:

Kompoziti C/C so kompoziti ogljikove matrice, ojačani z ogljikovimi vlakni, znani po svojem visokem specifičnem modulu in visoki specifični trdnosti, dobri stabilnosti pri toplotnem udaru in odlični odpornosti proti koroziji pri visokih temperaturah. Uporabljajo se predvsem v letalski, avtomobilski in industrijski proizvodnji. Vendar so C/C kompoziti nagnjeni k oksidaciji v visokotemperaturnih okoljih in imajo slabo plastičnost, kar omejuje njihovo uporabo pri višjih temperaturah.

Vloga odTaC premaz:

Priprava aTaC prevlekana površini C/C kompozitov lahko bistveno izboljša njihovo odpornost proti ablaciji, stabilnost na toplotni udar in mehanske lastnosti, s čimer se razširi njihova potencialna uporaba v ekstremnih pogojih.

Metode premazovanja in učinki:

(1) Metoda plazemskega razprševanja:

Raziskava: Feng et al. pripravil HfC-TaC kompozitne prevleke na C/C kompozitih z metodo nadzvočnega atmosferskega plazemskega razprševanja (SAPS). Ti premazi so pokazali odlično odpornost proti ablaciji pri gostoti toplotnega toka plamena 2,38 MW/m², s hitrostjo masne ablacije le 0,35 mg/s in linearno hitrostjo ablacije 1,05 µm/s, kar kaže na izjemno stabilnost pri visokih temperaturah.

(2) Sol-gel metoda:

Raziskava: He et al. pripravljenoTaC premazina C/C kompozitih po sol-gel metodi in jih sintrali pri različnih temperaturah. Študija je pokazala, da je prevleka po sintranju pri 1600 °C pokazala najboljšo odpornost na ablacijo z neprekinjeno in gosto plastno strukturo.

(3) Kemično naparjanje (CVD):

Raziskava: Ren et al. nanesel Hf(Ta)C prevleke na C/C kompozite s sistemom HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar preko metode CVD. Poskusi so pokazali, da ima prevleka močan oprijem na podlago in po 120 sekundah plamenske ablacije je bila stopnja masne ablacije le 0,97 mg/s z linearno hitrostjo ablacije 1,32 µm/s, kar dokazuje odlično odpornost na ablacijo.

Slika 3

Slika 3 prikazuje morfologijo loma C/C kompozitov z večplastnimi prevlekami PyC/SiC/TaC/PyC.

Slika 3a: Prikazuje celotno morfologijo loma prevleke, kjer je mogoče opazovati vmesno strukturo prevlek.

Slika 3b: Je povečana slika prevleke, ki prikazuje pogoje vmesnika med plastmi.

Slika 3c: Primerjava medfazne strižne trdnosti in upogibne trdnosti dveh različnih materialov, kar kaže, da struktura večplastnega premaza bistveno izboljša mehanske lastnosti kompozitov C/C.

4. TaC premazi na materialih na osnovi ogljika, pripravljeni s CVD

Metoda CVD lahko proizvede visoko čistost, gosto in enotnoTaC premazipri sorazmerno nizkih temperaturah, s čimer se izognemo napakam in razpokam, ki so običajno vidne pri drugih metodah priprave pri visokih temperaturah.

Vpliv parametrov CVD:

(1) Stopnja pretoka plina:

S prilagajanjem hitrosti pretoka plina med postopkom CVD je mogoče učinkovito nadzorovati morfologijo površine in kemično sestavo prevleke. Na primer, Zhang et al. proučevali vpliv pretoka plina Ar naTaC prevlekarast in ugotovil, da povečanje pretoka Ar upočasni rast zrn, kar povzroči manjša in bolj enotna zrna.

(2) Temperatura nanašanja:

Temperatura nanašanja pomembno vpliva na morfologijo površine in kemično sestavo prevleke. Na splošno višje temperature nanašanja pospešijo hitrost nanašanja, lahko pa tudi povečajo notranjo napetost, kar povzroči nastanek razpok. Chen et al. ugotovil, daTaC premazipripravljeni pri 800 °C so vsebovali majhno količino prostega ogljika, medtem ko so pri 1000 °C prevleke sestavljale predvsem kristale TaC.

(3) Tlak nanašanja:

Tlak nanašanja vpliva predvsem na velikost zrn in hitrost nanašanja prevleke. Študije kažejo, da se s povečanjem tlaka nanašanja stopnja nanašanja znatno izboljša in velikost zrn se poveča, čeprav kristalna struktura prevleke ostaja večinoma nespremenjena.

Slika 4

Slika 5

Sliki 4 in 5 prikazujeta učinke hitrosti pretoka H2 in temperature nanašanja na sestavo in velikost zrn prevlek.

Slika 4: Prikazuje učinek različnih pretokov H2 na sestavoTaC premazipri 850°C in 950°C. Ko je pretok H2 100 ml/min, je prevleka v glavnem sestavljena iz TaC z majhno količino Ta2C. Pri višjih temperaturah dodatek H2 povzroči manjše in bolj enotne delce.

Slika 5: Prikazuje spremembe morfologije površine in velikosti zrnTaC premazipri različnih temperaturah nanašanja. Z naraščanjem temperature se velikost zrn postopoma povečuje in prehaja iz sferičnih v poliedrična zrna.

Razvojni trendi

Trenutni izzivi:

čepravTaC premazibistveno poveča učinkovitost materialov na osnovi ogljika, lahko velika razlika v koeficientih toplotnega raztezanja med TaC in ogljikovim substratom povzroči razpoke in lomljenje pod visokimi temperaturami. Poleg tega en samTaC prevlekapod določenimi skrajnimi pogoji morda še vedno ne bodo izpolnjevali zahtev za uporabo.

rešitve:

(1) Sistemi kompozitnih premazov:

Za zatesnitev razpok v posameznem premazu je mogoče uporabiti večplastne kompozitne premazne sisteme. Na primer, Feng et al. pripravili izmenične HfC-TaC/HfC-SiC prevleke na C/C kompozitih z metodo SAPS, ki so pokazale vrhunsko odpornost na ablacijo pri visokih temperaturah.

(2) Sistemi premazov za krepitev trdne raztopine:

HfC, ZrC in TaC imajo enako kubično kristalno strukturo s središčem na obrazu in lahko med seboj tvorijo trdne raztopine, da povečajo odpornost proti ablaciji. Na primer, Wang et al. pripravili prevleke Hf(Ta)C z metodo CVD, ki so pokazale odlično odpornost na ablacijo pri visokih temperaturah.

(3) Sistemi gradientnih premazov:

Gradientni premazi izboljšujejo splošno zmogljivost z zagotavljanjem neprekinjene gradientne porazdelitve sestave premaza, kar zmanjšuje notranje napetosti in neskladja v koeficientih toplotnega raztezanja. Li et al. pripravljene gradientne prevleke TaC/SiC, ki so med preskusi plamenske ablacije pri 2300 °C pokazale odlično odpornost na toplotni udar, brez opaženih razpok ali lomljenja.

Slika 6

Slika 6 prikazuje odpornost kompozitnih premazov z različnimi strukturami proti ablaciji. Slika 6b prikazuje, da strukture izmeničnih premazov zmanjšajo razpoke pri visokih temperaturah in kažejo optimalno odpornost proti ablaciji. V nasprotju s tem slika 6c kaže, da so večplastni premazi nagnjeni k lomljenju pri visokih temperaturah zaradi prisotnosti več vmesnikov.

Zaključek in obeti

Ta članek sistematično povzema raziskovalni napredekTaC premazina grafit, ogljikova vlakna in C/C kompozite, razpravlja o vplivu parametrov CVD naTaC prevlekauspešnosti in analizira trenutna vprašanja.

Da bi izpolnili zahteve uporabe materialov na osnovi ogljika v ekstremnih pogojih, so potrebne nadaljnje izboljšave odpornosti proti ablaciji, odpornosti proti oksidaciji in visokotemperaturne mehanske stabilnosti prevlek TaC. Poleg tega bi se morale prihodnje raziskave poglobiti v ključna vprašanja pri pripravi CVD TaC prevlek, kar bi spodbudilo napredek pri komercialni uporabiTaC premazi.**

---

V podjetju Semicorex smo specializirani za SiC/TaC prevlečeni grafitni izdelkiin CVD SiC tehnologijo, ki se uporablja v proizvodnji polprevodnikov, če imate kakršna koli vprašanja ali potrebujete dodatne podrobnosti, ne oklevajte in stopite v stik z nami.

Kontaktni telefon: +86-13567891907

E-pošta: sales@semicorex.com