Pokrok vo výskume povlakov TaC na povrchoch materiálov na báze uhlíka

Pozadie výskumu

Materiály na báze uhlíka, ako je grafit, uhlíkové vlákna a kompozity uhlík/uhlík (C/C), sú známe svojou vysokou špecifickou pevnosťou, vysokým špecifickým modulom a vynikajúcimi tepelnými vlastnosťami, vďaka čomu sú vhodné pre širokú škálu aplikácií pri vysokých teplotách. . Tieto materiály sú široko používané v letectve, chemickom inžinierstve a skladovaní energie. Avšak ich náchylnosť na oxidáciu a koróziu vo vysokoteplotnom prostredí spolu so slabou odolnosťou proti poškriabaniu obmedzuje ich ďalšie použitie.

S technologickým pokrokom existujúce materiály na báze uhlíka čoraz viac nedokážu splniť prísne požiadavky extrémnych prostredí, najmä pokiaľ ide o odolnosť voči oxidácii a korózii. Preto sa zvyšovanie výkonu týchto materiálov stalo kľúčovým smerom výskumu.

Karbid tantalu (TaC) je materiál s extrémne vysokou teplotou topenia (3880°C), vynikajúcou mechanickou stabilitou pri vysokých teplotách a odolnosťou proti korózii. Vykazuje tiež dobrú chemickú kompatibilitu s materiálmi na báze uhlíka.TaC povlakymôže výrazne zvýšiť odolnosť voči oxidácii a mechanické vlastnosti materiálov na báze uhlíka, čím sa rozširuje ich použiteľnosť v extrémnych prostrediach.

Pokrok vo výskume povlakov TaC na povrchoch materiálov na báze uhlíka

1. Grafitové substráty

Výhody grafitu:

Grafit je široko používaný vo vysokoteplotnej metalurgii, výrobe energetických batérií a polovodičov vďaka svojej tolerancii voči vysokým teplotám (bod topenia okolo 3850 °C), vysokej tepelnej vodivosti a vynikajúcej odolnosti voči tepelným šokom. Grafit je však náchylný na oxidáciu a koróziu roztavenými kovmi pri vysokých teplotách.

ÚlohaTaC nátery:

TaC povlaky môžu výrazne zlepšiť odolnosť proti oxidácii, koróziu a mechanické vlastnosti grafitu, čím sa zvýši jeho potenciál pre aplikácie v extrémnych prostrediach.

Spôsoby nanášania a účinky:

(1) Plazmové striekanie:

Výskum: Trignan a kol. použil plazmový nástrek na nanesenie 150 µm hrúbkyTaC povlakna povrchu grafitu, čím sa výrazne zvyšuje jeho odolnosť voči vysokým teplotám. Hoci povlak obsahoval po nástreku TaC0,85 a Ta2C, po vysokoteplotnom ošetrení pri 2000 °C zostal neporušený bez praskania.

(2) Chemická depozícia z pár (CVD):

Výskum: Lv a kol. použili systém TaCl5-Ar-C3H6 na prípravu viacfázového povlaku C-TaC na grafitových povrchoch pomocou metódy CVD. Ich štúdia odhalila, že so zvyšujúcim sa obsahom uhlíka v povlaku klesal koeficient trenia, čo naznačuje vynikajúcu odolnosť proti opotrebovaniu.

(3) Spôsob spekania v suspenzii:

Výskum: Shen a kol. pripravili suspenziu s použitím TaCl5 a acetylacetónu, ktorú naniesli na grafitové povrchy a následne podrobili vysokoteplotnému spekaniu. VýslednýTaC povlakčastice mali veľkosť približne 1 um a vykazovali dobrú chemickú stabilitu a stabilitu pri vysokej teplote po spracovaní pri 2000 °C.

Obrázok 1

Obrázok 1a predstavuje TaC téglik pripravený metódou CVD, zatiaľ čo obrázky 1b a 1c ilustrujú stav téglika za podmienok epitaxného rastu MOCVD-GaN a sublimačného rastu AlN. Tieto obrázky dokazujú, žeTaC povlaknielenže vykazuje vynikajúcu odolnosť voči ablácii pri extrémnych teplotách, ale zachováva si aj vysokú štrukturálnu stabilitu pri vysokoteplotných podmienkach.

2. Substrát z uhlíkových vlákien

Vlastnosti uhlíkových vlákien:

Uhlíkové vlákno sa vyznačuje vysokou špecifickou pevnosťou a vysokým špecifickým modulom, spolu s vynikajúcou elektrickou vodivosťou, tepelnou vodivosťou, odolnosťou voči kyselinám a zásadám proti korózii a stabilitou pri vysokých teplotách. Avšak uhlíkové vlákna majú tendenciu strácať tieto vynikajúce vlastnosti vo vysokoteplotnom oxidačnom prostredí.

ÚlohaTaC povlak:

Uloženie aTaC povlakna povrchu uhlíkových vlákien výrazne zvyšuje jeho odolnosť voči oxidácii a odolnosť voči žiareniu, čím zlepšuje jeho použiteľnosť v extrémne vysokoteplotných prostrediach.

Spôsoby nanášania a účinky:

(1) Infiltrácia chemických pár (CVI):

Výskum: Chen a kol. uložený aTaC povlakna uhlíkových vláknach metódou CVI. Štúdia zistila, že pri teplotách nanášania 950-1000 °C, TaC povlak vykazoval hustú štruktúru a vynikajúcu odolnosť proti oxidácii pri vysokých teplotách.

(2) In situ reakčná metóda:

Výskum: Liu a kol. pripravené TaC/PyC tkaniny na bavlnených vláknach pomocou reakčnej metódy in situ. Tieto tkaniny preukázali extrémne vysokú účinnosť elektromagnetického tienenia (75,0 dB), čo je výrazne lepšie ako tradičné tkaniny PyC (24,4 dB).

(3) Metóda roztavenej soli:

Výskum: Dong a kol. pripravený aTaC povlakna povrchu uhlíkových vlákien metódou roztavenej soli. Výsledky ukázali, že tento povlak výrazne zvýšil odolnosť uhlíkových vlákien voči oxidácii.

Obrázok 2

Obrázok 2: Obrázok 2 ukazuje SEM snímky pôvodných uhlíkových vlákien a uhlíkových vlákien potiahnutých TaC pripravených za rôznych podmienok, spolu s krivkami termogravimetrickej analýzy (TGA) za rôznych podmienok poťahovania.

Obrázok 2a: Zobrazuje morfológiu pôvodných uhlíkových vlákien.

Obrázok 2b: Ukazuje povrchovú morfológiu uhlíkových vlákien potiahnutých TaC pripravených pri 1000 °C, pričom povlak je hustý a rovnomerne rozložený.

Obrázok 2c: Krivky TGA naznačujú, žeTaC povlakvýrazne zvyšuje odolnosť uhlíkových vlákien voči oxidácii, pričom povlak pripravený pri 1100 °C vykazuje vynikajúcu odolnosť voči oxidácii.

3. C/C kompozitná matrica

Vlastnosti C/C kompozitov:

C/C kompozity sú kompozity s uhlíkovou matricou vystužené uhlíkovými vláknami, ktoré sú známe svojim vysokým špecifickým modulom a vysokou špecifickou pevnosťou, dobrou stabilitou voči teplotným šokom a vynikajúcou odolnosťou voči korózii pri vysokých teplotách. Používajú sa predovšetkým v oblasti letectva, automobilového priemyslu a priemyselnej výroby. C/C kompozity sú však náchylné na oxidáciu vo vysokoteplotnom prostredí a majú zlú plasticitu, čo obmedzuje ich aplikáciu pri vyšších teplotách.

ÚlohaTaC povlak:

Príprava aTaC povlakna povrchu C/C kompozitov môže výrazne zlepšiť ich odolnosť voči ablácii, stabilitu tepelného šoku a mechanické vlastnosti, čím rozšíri svoje potenciálne aplikácie v extrémnych podmienkach.

Spôsoby nanášania a účinky:

(1) Metóda plazmového striekania:

Výskum: Feng a kol. pripravil HfC-TaC kompozitné povlaky na C/C kompozitoch metódou supersonického atmosferického plazmového striekania (SAPS). Tieto povlaky vykazovali vynikajúcu odolnosť voči ablácii pri hustote tepelného toku plameňa 2,38 MW/m², s rýchlosťou hromadnej ablácie iba 0,35 mg/sa lineárnou rýchlosťou ablácie 1,05 µm/s, čo naznačuje vynikajúcu stabilitu pri vysokých teplotách.

(2) Sol-Gélová metóda:

Výskum: He et al. pripravenýTaC povlakyna C/C kompozitoch metódou sol-gel a spekali ich pri rôznych teplotách. Štúdia odhalila, že po spekaní pri 1600 °C povlak vykazoval najlepšiu odolnosť voči ablácii so súvislou a hustou vrstvenou štruktúrou.

(3) Chemická depozícia z pár (CVD):

Výskum: Ren a kol. nanesené Hf(Ta)C povlaky na C/C kompozity pomocou systému HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar prostredníctvom CVD metódy. Experimenty ukázali, že povlak mal silnú priľnavosť k substrátu a po 120 sekundách ablácie plameňom bola rýchlosť hromadnej ablácie iba 0,97 mg/s s lineárnou rýchlosťou ablácie 1,32 µm/s, čo demonštruje vynikajúcu odolnosť voči ablácii.

Obrázok 3

Obrázok 3 ukazuje morfológiu lomu C/C kompozitov s viacvrstvovými PyC/SiC/TaC/PyC povlakmi.

Obrázok 3a: Zobrazuje celkovú morfológiu lomu povlaku, kde je možné pozorovať medzivrstvovú štruktúru povlakov.

Obrázok 3b: Je zväčšený obrázok povlaku zobrazujúci podmienky rozhrania medzi vrstvami.

Obrázok 3c: Porovnáva medzifázovú pevnosť v šmyku a pevnosť v ohybe dvoch rôznych materiálov, čo naznačuje, že štruktúra viacvrstvového povlaku výrazne zlepšuje mechanické vlastnosti C/C kompozitov.

4. TaC povlaky na materiáloch na báze uhlíka pripravené pomocou CVD

Metóda CVD môže produkovať vysokú čistotu, hustotu a jednotnosťTaC povlakypri relatívne nízkych teplotách, čím sa zabráni defektom a prasklinám, ktoré sa bežne vyskytujú pri iných metódach prípravy pri vysokej teplote.

Vplyv CVD parametrov:

(1) Rýchlosť prietoku plynu:

Úpravou prietoku plynu počas procesu CVD možno účinne kontrolovať povrchovú morfológiu a chemické zloženie povlaku. Napríklad Zhang a kol. študoval vplyv rýchlosti prietoku plynu Ar naTaC povlaka zistili, že zvýšenie prietoku Ar spomaľuje rast zŕn, výsledkom čoho sú menšie a rovnomernejšie zrná.

(2) Teplota depozície:

Teplota nanášania výrazne ovplyvňuje morfológiu povrchu a chemické zloženie povlaku. Vo všeobecnosti vyššie teploty nanášania urýchľujú rýchlosť vylučovania, ale môžu tiež zvýšiť vnútorné napätie, čo vedie k tvorbe trhlín. Chen a kol. zistil, žeTaC povlakypripravené pri 800 °C obsahovali malé množstvo voľného uhlíka, zatiaľ čo pri 1000 °C povlaky pozostávali hlavne z kryštálov TaC.

(3) Depozičný tlak:

Depozičný tlak primárne ovplyvňuje veľkosť zŕn a rýchlosť nanášania povlaku. Štúdie ukazujú, že keď sa tlak nanášania zvyšuje, rýchlosť nanášania sa výrazne zlepšuje a veľkosť zrna sa zvyšuje, hoci kryštálová štruktúra povlaku zostáva do značnej miery nezmenená.

Obrázok 4

Obrázok 5

Obrázky 4 a 5 znázorňujú účinky prietoku H2 a teploty nanášania na zloženie a veľkosť zŕn povlakov.

Obrázok 4: Ukazuje vplyv rôznych prietokov H2 na zloženieTaC povlakypri 850 °C a 950 °C. Keď je prietok H2 100 ml/min, povlak pozostáva hlavne z TaC s malým množstvom Ta2C. Pri vyšších teplotách má pridanie H2 za následok menšie a rovnomernejšie častice.

Obrázok 5: Ukazuje zmeny v povrchovej morfológii a veľkosti zŕnTaC povlakypri rôznych teplotách nanášania. So zvyšovaním teploty veľkosť zrna postupne rastie, pričom prechádza z guľovitých do polyedrických zŕn.

Vývojové trendy

Aktuálne výzvy:

HociTaC povlakyvýrazne zvyšuje výkon materiálov na báze uhlíka, veľký rozdiel v koeficientoch tepelnej rozťažnosti medzi TaC a uhlíkovým substrátom môže viesť k prasklinám a odlupovaniu pri vysokých teplotách. Navyše jedenTaC povlakmôže za určitých extrémnych podmienok stále nespĺňať požiadavky na aplikáciu.

Riešenia:

(1) Kompozitné náterové systémy:

Na utesnenie trhlín v jednom nátere možno použiť viacvrstvové kompozitné náterové systémy. Napríklad Feng a kol. pripravili striedavé povlaky HfC-TaC/HfC-SiC na C/C kompozitoch pomocou metódy SAPS, ktoré vykazovali vynikajúcu odolnosť voči ablácii pri vysokých teplotách.

(2) Náterové systémy na spevnenie pevných roztokov:

HfC, ZrC a TaC majú rovnakú plošne centrovanú kubickú kryštálovú štruktúru a môžu navzájom vytvárať tuhé roztoky na zvýšenie odolnosti voči ablácii. Napríklad Wang a kol. pripravili Hf(Ta)C povlaky pomocou CVD metódy, ktoré vykazovali vynikajúcu ablačný odpor pri vysokoteplotných podmienkach.

(3) Gradientové náterové systémy:

Gradientové nátery zlepšujú celkový výkon tým, že poskytujú kontinuálnu gradientnú distribúciu náterovej kompozície, čo znižuje vnútorné napätie a nesúlad v koeficientoch tepelnej rozťažnosti. Li a spol. pripravené gradientové povlaky TaC/SiC, ktoré preukázali vynikajúcu odolnosť proti tepelným šokom počas testov ablácie plameňom pri 2300 °C, bez pozorovaného praskania alebo odlupovania.

Obrázok 6

Obrázok 6 znázorňuje ablačný odpor kompozitných povlakov s rôznymi štruktúrami. Obrázok 6b ukazuje, že striedavé povlakové štruktúry redukujú trhliny pri vysokých teplotách, pričom vykazujú optimálnu odolnosť voči ablácii. Na rozdiel od toho obrázok 6c ukazuje, že viacvrstvové povlaky sú náchylné na odlupovanie pri vysokých teplotách v dôsledku prítomnosti viacerých rozhraní.

Záver a výhľad

Tento článok systematicky sumarizuje pokrok vo výskumeTaC povlakyo grafite, uhlíkových vláknach a C/C kompozitoch, pojednáva o vplyve parametrov CVD naTaC povlakvýkonnosti a analyzuje aktuálne problémy.

Na splnenie aplikačných požiadaviek materiálov na báze uhlíka v extrémnych podmienkach sú potrebné ďalšie zlepšenia odolnosti proti ablácii, odolnosti proti oxidácii a mechanickej stability TaC pri vysokých teplotách. Okrem toho by sa budúci výskum mal ponoriť do kľúčových problémov pri príprave povlakov CVD TaC, čím by sa podporil pokrok v komerčnej aplikáciiTaC povlaky.**

---

My v Semicorex sa špecializujeme na SiC/Grafitové produkty potiahnuté TaCa technológia CVD SiC použitá pri výrobe polovodičov, ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete ďalšie podrobnosti, neváhajte nás kontaktovať.

Kontaktný telefón: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com