Pyrolytický uhlíkový povlak - uhlíkový pancier vyrastený z plynu

Pyrolytický uhlík, niekedy nazývaný pyrolytický grafit, je metastabilný materiál medzi grafitom a amorfným uhlíkom, ktorý vzniká procesom chemického nanášania pár plynov obsahujúcich uhlík (hlavne uhľovodíkových plynov) pri vysokých teplotách na povrchu substrátu. (Termodynamicky je grafit pevný uhlíkový materiál s najnižšou Gibbsovou voľnou energiou.)

01 Pyrolytické ukladanie uhlíka a chemických pár

Proces vytvárania pevného povlaku chemickou reakciou prekurzorových zlúčenín za špecifických podmienok procesu a ich ukladaním na povrch substrátu, ktorý sa má potiahnuť, sa nazýva chemické vylučovanie z pár. Schematický diagram hlavných krokov procesu chemického nanášania pár je uvedený nižšie:

(1) Prekurzor vstupuje do reakčnej zóny;

(2) Prekurzor podlieha reakcii v plynnej fáze za vzniku medziproduktov;

a. Keď je teplota v reakčnej zóne vysoká alebo v oblasti vzdialenej od nanášacieho substrátu, medziprodukty pokračujú v reakcii v plynnej fáze, pričom v plynnej fáze vytvárajú tuhý prášok a prchavé vedľajšie produkty. a. Pevný prášok rozptýlený na povrchu nanášaného substrátu sa môže stať nukleačnými miestami pre povrchové ukladanie a prchavé vedľajšie produkty difundovať preč z reakčnej zóny;

b. Keď je teplota v reakčnej zóne nízka alebo v oblasti blízko depozičného substrátu, medziprodukty difundujú na povrch substrátu a nastávajú nasledujúce kroky:

(3) Medziprodukty sa adsorbujú na povrch substrátu, pričom prechádzajú heterogénnou reakciou za vzniku aktívnych produktov a vedľajších produktov ukladania;

(4) Aktívne produkty nanášania difundujú na povrch nanášaného substrátu a hromadia sa a vytvárajú súvislý povlak;

(5) Vedľajšie produkty plynnej fázy opúšťajú oblasť blízko depozičného substrátu;

(6) Nezreagované plynné suroviny a vedľajšie produkty reakcie opúšťajú reakčnú zónu.

Tvorba pyrolytického uhlíka je ireverzibilný proces znižovania entropie, pri ktorom sa atómy uhlíka menia z neusporiadanosti na poriadok a z plynného skupenstva do pevného skupenstva pri vysokých teplotách. Riadi sa konečným smerom chemickej termodynamiky, ale zachováva si nerovnovážnu mikroštruktúru prostredníctvom kinetických dráh. Hlboké pochopenie tohto procesu nielenže pokladá materiálový základ pre uhlíkovo-uhlíkové kompozity, vysokoteplotné povlaky a obaľovanie jadrového paliva, ale poskytuje aj dvojitú paradigmu experimentálnych a teoretických rámcov pre existenciu uhlíka v extrémnych podmienkach.

02 Proces prípravy a aplikácie pyrolytického uhlíka

Pyrolytický uhlík sa pripravuje vysokoteplotnou pyrolýzou uhľovodíkov v prostredí bez kyslíka pri 1200-1400 ℃. Používa sa reaktor s vertikálnym fluidným lôžkom a proces zahŕňa nasledujúce kroky: zo spodnej časti reakčnej rúrky sa zavádza inertný plyn (dusík alebo hélium), aby sa žiaruvzdorné častice fluidizovali; externá indukčná cievka ohrieva obsah reakčnej trubice; a uhľovodíkové plyny sa pridávajú na spustenie pyrolýznej reakcie.

Pyrolytický uhlík sa používa hlavne ako vysokoteplotný ochranný povlak na srdcové chlopne, biomateriálové povlaky a ochranné povlaky na palivové sféry jadrových reaktorov a je široko používaný pri ochrane tepelného poľa, využívaní jadrovej energie a biomedicíne.

03 Vysokoteplotný ochranný náter pre pyrolytický uhlík

Kremík, ako najbežnejší polovodičový materiál, je široko používaný v elektronike a fotovoltaike, najmä v kryštalickom kremíku pre solárne články, kde je jeho vysoká účinnosť fotoelektrickej konverzie základnou súčasťou. Czochralského metóda sa používa predovšetkým na prípravu monokryštálového kremíka. Táto metóda so svojou vysokou produkčnou účinnosťou, kontrolovateľným rastovým procesom a výhodami dopingovej kontroly sa široko používa pri výrobe monokryštálového kremíka na domácom aj medzinárodnom trhu. S rastúcou veľkosťou kryštálov sa však postupne zvyšujú aj náklady na tepelné pole grafitu. Najmä v prostredí kremíkových pár sú grafitové komponenty náchylné na koróziu, čo vedie k skráteniu životnosti zariadenia. Na vyriešenie týchto problémov výskumníci vyvinuli povlaky odolné voči korózii pre uhlíkové materiály, ako sú povlaky z pyrolytického uhlíka (PyC), karbidu kremíka (SiC) a karbidu tantalu (TaC), aby sa zlepšila životnosť uhlíkových materiálov vo vysokoteplotnom korozívnom prostredí.

Cao študoval silicidovú koróziu grafitu G330 a kompozitov AC200C/C používaných v peci s jedným kryštálom kremíka. Dospeli k záveru, že otvorené póry siahajúce z vnútra grafitu k povrchu poskytujú kanály pre eróziu a difúziu roztaveného kremíka, čím sa urýchľuje proces silicidu uhlíkových materiálov.

Zhao naniesol na povrch grafitu pyrolytický uhlíkový (PyC) povlak pomocou chemického nanášania pár. Výsledný povlak PyC úplne pokryl grafitový substrát a vykazoval hustú štruktúru bez výraznej pórovitosti alebo prenikajúcich mikrotrhlín. Po ošetrení potiahnutého grafitového materiálu v prostredí leptania kremíkovou parou pri 1600 °C počas 2 hodín je prierezová morfológia povlaku a výsledky EDX testu znázornené na obrázku nižšie. Obrázok a ukazuje, že aj po leptaní kremíkom zostáva povlak pevne priľnutý k povrchu substrátu bez zjavných trhlín. Elementárna distribúcia uhlíka a kremíka na povrchu nevykazuje takmer žiadnu distribúciu kremíka pod povlakom PyC, čo naznačuje jeho vynikajúci ochranný účinok na grafitový substrát.

Obrázok - Morfológia prierezu grafitu potiahnutého PyC po leptaní kremíkom

Semicorex dodáva vysokokvalitné prispôsobené komponenty povlaku TyC/SiC/TaC aplikované v polovodičoch. Pre prispôsobené riešenia alebo dodatočné technické informácie neváhajte kontaktovať náš technický tím.

Telefón: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com