Karbon Bazlı Malzeme Yüzeylerinde TaC Kaplamaların Araştırma İlerlemesi

Araştırma Geçmişi

Grafit, karbon fiberler ve karbon/karbon (C/C) kompozitleri gibi karbon bazlı malzemeler, yüksek özgül mukavemetleri, yüksek özgül modülleri ve mükemmel termal özellikleriyle bilinir; bu da onları çok çeşitli yüksek sıcaklık uygulamaları için uygun kılar. . Bu malzemeler havacılık, kimya mühendisliği ve enerji depolamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıktaki ortamlarda oksidasyona ve korozyona karşı duyarlılıkları ve çizilmeye karşı zayıf dirençleri, daha sonraki uygulamalarını kısıtlamaktadır.

Teknolojik gelişmelerle birlikte, mevcut karbon bazlı malzemeler, özellikle oksidasyon ve korozyon direncine ilişkin zorlu ortamların katı taleplerini giderek daha fazla karşılayamıyor. Bu nedenle, bu malzemelerin performansının arttırılması önemli bir araştırma yönü haline gelmiştir.

Tantal karbür (TaC), son derece yüksek erime noktasına (3880°C), mükemmel yüksek sıcaklıkta mekanik stabiliteye ve korozyon direncine sahip bir malzemedir. Ayrıca karbon bazlı malzemelerle iyi bir kimyasal uyumluluk sergiler.TaC kaplamalarkarbon bazlı malzemelerin oksidasyon direncini ve mekanik özelliklerini önemli ölçüde geliştirebilir ve zorlu ortamlarda uygulanabilirliğini genişletebilir.

Karbon Bazlı Malzeme Yüzeylerinde TaC Kaplamaların Araştırma İlerlemesi

1. Grafit Yüzeyler

Grafitin Avantajları:

Grafit, yüksek sıcaklık toleransı (3850°C civarında erime noktası), yüksek termal iletkenliği ve mükemmel termal şok direnci nedeniyle yüksek sıcaklık metalurjisinde, enerji pillerinde ve yarı iletken üretiminde yaygın olarak kullanılır. Bununla birlikte grafit, yüksek sıcaklıklarda erimiş metaller tarafından oksidasyona ve korozyona eğilimlidir.

RolüTaC Kaplamalar:

TaC kaplamaları, grafitin oksidasyon direncini, korozyon direncini ve mekanik özelliklerini önemli ölçüde iyileştirebilir, böylece zorlu ortamlardaki uygulama potansiyelini artırabilir.

Kaplama Yöntemleri ve Etkileri:

(1) Plazma Püskürtme:

Araştırma: Trignan ve ark. 150 µm kalınlığında bir kaplama oluşturmak için plazma püskürtme kullanıldıTaC kaplamaGrafit yüzeyinde, yüksek sıcaklık toleransını önemli ölçüde artırır. Kaplama, püskürtme sonrası TaC0.85 ve Ta2C içermesine rağmen, 2000°C'de yüksek sıcaklık işleminden sonra çatlamadan bozulmadan kaldı.

(2) Kimyasal Buhar Birikimi (CVD):

Araştırma: Lv ve ark. CVD yöntemini kullanarak grafit yüzeyler üzerinde bir C-TaC çok fazlı kaplama hazırlamak için TaCl5-Ar-C3H6 sistemini kullandı. Çalışmaları, kaplamadaki karbon içeriği arttıkça sürtünme katsayısının azaldığını ve bunun da mükemmel aşınma direncine işaret ettiğini ortaya çıkardı.

(3) Bulamaç Sinterleme Yöntemi:

Araştırma: Shen ve ark. TaCl5 ve asetilaseton kullanarak bir bulamaç hazırladılar, bunu grafit yüzeylere uyguladılar ve ardından yüksek sıcaklıkta sinterlemeye tabi tuttular. Ortaya çıkanTaC kaplamaparçacıklar yaklaşık 1 µm boyutundaydı ve 2000°C'de işlemden sonra iyi kimyasal stabilite ve yüksek sıcaklık stabilitesi gösterdi.

Şekil 1

Şekil 1a, CVD yöntemiyle hazırlanan TaC potasını sunarken, Şekil lb ve 1c, sırasıyla MOCVD-GaN epitaksiyel büyüme ve AlN süblimasyon büyüme koşulları altında potanın durumunu göstermektedir. Bu görüntüler gösteriyor kiTaC kaplamaaşırı sıcaklıklarda mükemmel aşınma direnci sergilemekle kalmaz, aynı zamanda yüksek sıcaklık koşulları altında yüksek yapısal stabiliteyi korur.

2. Karbon Fiber Substrat

Karbon Fiberin Özellikleri:

Karbon fiber, mükemmel elektrik iletkenliği, termal iletkenlik, asit ve alkali korozyon direnci ve yüksek sıcaklık stabilitesinin yanı sıra yüksek spesifik mukavemeti ve yüksek spesifik modülü ile karakterize edilir. Ancak karbon fiber, yüksek sıcaklıktaki oksidatif ortamlarda bu üstün özelliklerini kaybetme eğilimindedir.

RolüTaC Kaplama:

Para yatırmaTaC kaplamaKarbon fiberin yüzeyindeki kaplama, oksidasyon direncini ve radyasyon direncini önemli ölçüde artırır, böylece aşırı yüksek sıcaklıktaki ortamlarda uygulanabilirliğini artırır.

Kaplama Yöntemleri ve Etkileri:

(1) Kimyasal Buhar Sızıntısı (CVI):

Araştırma: Chen ve ark. yatırılanTaC kaplamaCVI yöntemini kullanarak karbon fiber üzerinde. Çalışma, 950-1000°C biriktirme sıcaklıklarında TaC kaplamanın yoğun bir yapı ve yüksek sıcaklıklarda mükemmel oksidasyon direnci sergilediğini buldu.

(2) Yerinde Reaksiyon Yöntemi:

Araştırma: Liu ve ark. yerinde reaksiyon yöntemini kullanarak pamuk elyafları üzerinde TaC/PyC kumaşları hazırladı. Bu kumaşlar, geleneksel PyC kumaşlarından (24,4 dB) önemli ölçüde üstün olan son derece yüksek elektromanyetik koruma etkinliği (75,0 dB) gösterdi.

(3) Erimiş Tuz Yöntemi:

Araştırma: Dong ve ark. bir hazırladıTaC kaplamaerimiş tuz yöntemini kullanarak karbon fiberin yüzeyine. Sonuçlar, bu kaplamanın karbon fiberin oksidasyon direncini önemli ölçüde arttırdığını gösterdi.

Şekil 2

Şekil 2: Şekil 2, farklı koşullar altında hazırlanan orijinal karbon fiberlerin ve TaC kaplı karbon fiberlerin SEM görüntülerini ve çeşitli kaplama koşulları altında termogravimetrik analiz (TGA) eğrilerini gösterir.

Şekil 2a: Orijinal karbon fiberlerin morfolojisini gösterir.

Şekil 2b: 1000°C'de hazırlanan TaC kaplı karbon fiberlerin yüzey morfolojisini, kaplamanın yoğun ve düzgün bir şekilde dağıldığı şekilde gösterir.

Şekil 2c: TGA eğrileri şunu göstermektedir:TaC kaplama1100°C'de hazırlanan kaplama üstün oksidasyon direnci göstererek, karbon fiberlerin oksidasyon direncini önemli ölçüde artırır.

3. C/C Kompozit Matris

C/C Kompozitlerinin Özellikleri:

C/C kompozitleri, yüksek spesifik modülleri ve yüksek spesifik mukavemetleri, iyi termal şok stabilitesi ve mükemmel yüksek sıcaklıkta korozyon direnciyle bilinen, karbon fiber takviyeli karbon matris kompozitleridir. Öncelikle havacılık, otomotiv ve endüstriyel üretim alanlarında kullanılırlar. Bununla birlikte, C/C kompozitleri yüksek sıcaklıktaki ortamlarda oksidasyona eğilimlidir ve zayıf plastisiteye sahiptir, bu da onların yüksek sıcaklıklardaki uygulamalarını sınırlandırır.

RolüTaC Kaplama:

Bir hazırlıkTaC kaplamaC/C kompozitlerinin yüzeyindeki kimyasallar, aşındırma direncini, termal şok stabilitesini ve mekanik özelliklerini önemli ölçüde geliştirebilir, böylece aşırı koşullar altında potansiyel uygulamalarını genişletebilir.

Kaplama Yöntemleri ve Etkileri:

(1) Plazma Püskürtme Yöntemi:

Araştırma: Feng ve ark. süpersonik atmosferik plazma püskürtme (SAPS) yöntemini kullanarak C/C kompozitleri üzerinde HfC-TaC kompozit kaplamalar hazırladı. Bu kaplamalar, yalnızca 0,35 mg/s'lik kütle ablasyon oranı ve 1,05 µm/s'lik doğrusal ablasyon oranı ile 2,38 MW/m²'lik alev ısı akışı yoğunluğu altında mükemmel ablasyon direnci sergiledi; bu da yüksek sıcaklıklarda olağanüstü stabiliteye işaret ediyor.

(2) Sol-Gel Yöntemi:

Araştırma: He ve ark. tedarikliTaC kaplamalarC/C kompozitleri üzerine sol-jel metodu kullanılarak sinterleme yapıldı ve farklı sıcaklıklarda sinterlendi. Çalışma, 1600°C'de sinterleme sonrasında kaplamanın sürekli ve yoğun katmanlı yapısıyla en iyi ablasyon direncini sergilediğini ortaya çıkardı.

(3) Kimyasal Buhar Birikimi (CVD):

Araştırma: Ren ve ark. CVD yöntemi aracılığıyla HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar sistemini kullanarak C/C kompozitleri üzerine Hf(Ta)C kaplamaları biriktirdi. Deneyler, kaplamanın alt tabakaya güçlü bir yapışmaya sahip olduğunu gösterdi ve 120 saniyelik alevle ablasyondan sonra kütle ablasyon hızı, 1,32 µm/s'lik doğrusal ablasyon oranıyla yalnızca 0,97 mg/s oldu, bu da mükemmel ablasyon direncini ortaya koyuyor.

Şekil 3

Şekil 3, çok katmanlı PyC/SiC/TaC/PyC kaplamalara sahip C/C kompozitlerinin kırılma morfolojisini göstermektedir.

Şekil 3a: Kaplamaların ara katman yapısının gözlemlenebildiği kaplamanın genel kırılma morfolojisini gösterir.

Şekil 3b: Katmanlar arasındaki arayüz koşullarını gösteren, kaplamanın büyütülmüş bir görüntüsüdür.

Şekil 3c: İki farklı malzemenin arayüzey kayma mukavemetini ve bükülme mukavemetini karşılaştırır; bu, çok katmanlı kaplama yapısının C/C kompozitlerinin mekanik özelliklerini önemli ölçüde arttırdığını gösterir.

4. CVD Tarafından Hazırlanan Karbon Bazlı Malzemeler Üzerine TaC Kaplamalar

CVD yöntemi yüksek saflıkta, yoğun ve tekdüze üretebilirTaC kaplamalarnispeten düşük sıcaklıklarda, diğer yüksek sıcaklıkta hazırlama yöntemlerinde yaygın olarak görülen kusurlardan ve çatlaklardan kaçınılır.

CVD Parametrelerinin Etkisi:

(1) Gaz Akış Hızı:

CVD işlemi sırasında gaz akış hızının ayarlanmasıyla kaplamanın yüzey morfolojisi ve kimyasal bileşimi etkili bir şekilde kontrol edilebilir. Örneğin Zhang ve ark. Ar gazı akış hızının etkisi araştırıldıTaC kaplamaAr akış hızının arttırılmasının tane büyümesini yavaşlattığını ve bunun sonucunda daha küçük ve daha düzgün tanecikler elde edildiğini buldu.

(2) Biriktirme Sıcaklığı:

Biriktirme sıcaklığı, kaplamanın yüzey morfolojisini ve kimyasal bileşimini önemli ölçüde etkiler. Genel olarak, daha yüksek biriktirme sıcaklıkları biriktirme hızını hızlandırır ancak aynı zamanda iç gerilimi de arttırarak çatlak oluşumuna yol açabilir. Chen ve diğerleri. bunu buldumTaC kaplamalar800°C'de hazırlanan kaplamalar az miktarda serbest karbon içerirken 1000°C'de kaplamalar çoğunlukla TaC kristallerinden oluşuyordu.

(3) Biriktirme Basıncı:

Biriktirme basıncı öncelikle kaplamanın tane boyutunu ve birikme oranını etkiler. Çalışmalar, kaplamanın kristal yapısının büyük ölçüde değişmemesine rağmen biriktirme basıncı arttıkça biriktirme hızının önemli ölçüde arttığını ve tane boyutunun arttığını göstermektedir.

Şekil 4

Şekil 5

Şekil 4 ve 5, H2 akış hızının ve biriktirme sıcaklığının kaplamaların bileşimi ve tane boyutu üzerindeki etkilerini göstermektedir.

Şekil 4: Farklı H2 akış hızlarının bileşimi üzerindeki etkisini gösterir.TaC kaplamalar850°C ve 950°C'de. H2 akış hızı 100 mL/dak olduğunda kaplama esas olarak TaC ve az miktarda Ta2C'den oluşur. Daha yüksek sıcaklıklarda H2 ilavesi daha küçük ve daha düzgün parçacıklar oluşmasına neden olur.

Şekil 5: Yüzey morfolojisi ve tane boyutundaki değişiklikleri göstermektedir.TaC kaplamalarfarklı depolama sıcaklıklarında. Sıcaklık arttıkça, küresel tanelerden çokyüzlü tanelere geçiş yaparak tane boyutu yavaş yavaş büyür.

Gelişim Trendleri

Mevcut Zorluklar:

RağmenTaC kaplamalarKarbon bazlı malzemelerin performansını önemli ölçüde artırdığından, TaC ile karbon substrat arasındaki termal genleşme katsayılarındaki büyük fark, yüksek sıcaklıklar altında çatlaklara ve dökülmelere yol açabilir. Ek olarak tek birTaC kaplamabazı aşırı koşullar altında başvuru gerekliliklerini karşılamakta hâlâ yetersiz kalabilir.

Çözümler:

(1) Kompozit Kaplama Sistemleri:

Tek kaplamadaki çatlakları kapatmak için çok katmanlı kompozit kaplama sistemleri kullanılabilir. Örneğin Feng ve ark. yüksek sıcaklıklarda üstün ablasyon direnci gösteren SAPS yöntemini kullanarak C/C kompozitleri üzerinde alternatif HfC-TaC/HfC-SiC kaplamalar hazırladı.

(2) Katı Çözelti Güçlendirme Kaplama Sistemleri:

HfC, ZrC ve TaC aynı yüz merkezli kübik kristal yapıya sahiptir ve ablasyon direncini arttırmak için birbirleriyle katı çözeltiler oluşturabilirler. Örneğin Wang ve ark. yüksek sıcaklık koşulları altında mükemmel ablasyon direnci sergileyen CVD yöntemini kullanarak Hf(Ta)C kaplamaları hazırladı.

(3) Gradyan Kaplama Sistemleri:

Gradyan kaplamalar, iç gerilimi ve termal genleşme katsayılarındaki uyumsuzlukları azaltan, kaplama bileşiminin sürekli bir gradyan dağılımını sağlayarak genel performansı artırır. Li ve diğerleri. 2300°C'deki alev ablasyon testleri sırasında hiçbir çatlama veya dökülme gözlemlenmeden mükemmel termal şok direnci sergileyen TaC/SiC gradyan kaplamaları hazırladı.

Şekil 6

Şekil 6, farklı yapılara sahip kompozit kaplamaların aşınma direncini göstermektedir. Şekil 6b, alternatif kaplama yapılarının yüksek sıcaklıklarda çatlakları azalttığını ve optimum aşınma direnci sergilediğini göstermektedir. Buna karşılık, Şekil 6c, çok katmanlı kaplamaların, çoklu arayüzlerin varlığı nedeniyle yüksek sıcaklıklarda dağılmaya eğilimli olduğunu göstermektedir.

Sonuç ve Görünüm

Bu makale sistematik olarak araştırma ilerlemesini özetlemektedir.TaC kaplamalarGrafit, karbon fiber ve C/C kompozitleri üzerine CVD parametrelerininTaC kaplamaperformans ve güncel sorunları analiz eder.

Aşırı koşullar altında karbon bazlı malzemelerin uygulama gereksinimlerini karşılamak için TaC kaplamaların aşındırma direnci, oksidasyon direnci ve yüksek sıcaklıkta mekanik stabilitesinde daha fazla iyileştirmeye ihtiyaç vardır. Ek olarak, gelecekteki araştırmalar CVD TaC kaplamalarının hazırlanmasındaki temel konuları ele almalı ve ticari uygulamadaki ilerlemeleri teşvik etmelidir.TaC kaplamalar.**

---

Semicorex olarak SiC/ konusunda uzmanızTaC kaplı grafit ürünlerve yarı iletken üretiminde uygulanan CVD SiC teknolojisi hakkında sorularınız varsa veya ek ayrıntılara ihtiyacınız varsa lütfen bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.

İletişim telefonu: +86-13567891907

E-posta: sales@semicorex.com