Karbonoan oinarritutako materialen gainazaletan TaC estalduren ikerketaren aurrerapena

Ikerketa Aurrekariak

Karbonoan oinarritutako materialak, hala nola, grafitoa, karbono-zuntzak eta karbono/karbonoa (C/C) konposatuak beren indar espezifiko handiagatik, modulu espezifiko handiagatik eta propietate termiko bikainengatik ezagunak dira, tenperatura altuko aplikazio ugaritarako egokiak direlako. . Material hauek asko erabiltzen dira aeroespazialean, ingeniaritza kimikoan eta energia biltegiratzean. Hala ere, tenperatura altuko inguruneetan oxidazio eta korrosioarekiko duten suszeptibilitateak, marraduraren erresistentzia eskasarekin batera, aplikazio gehiago mugatzen du.

Aurrerapen teknologikoekin, karbonoan oinarritutako lehendik dauden materialek gero eta ezin dituzte muturreko inguruneen eskakizun zorrotzak asetzeko, batez ere oxidazio eta korrosioarekiko erresistentziari dagokionez. Hori dela eta, material horien errendimendua hobetzea ikerketaren funtsezko norabidea bihurtu da.

Tantalo karburoa (TaC) oso urtze-puntu altua (3880 °C), tenperatura altuko egonkortasun mekaniko bikaina eta korrosioarekiko erresistentzia duen materiala da. Karbonoan oinarritutako materialekin bateragarritasun kimiko ona ere erakusten du.TaC estaldurakkarbonoan oinarritutako materialen oxidazio-erresistentzia eta propietate mekanikoak nabarmen hobetu ditzake, muturreko inguruneetan duten aplikagarritasuna zabalduz.

Karbonoan oinarritutako materialen gainazaletan TaC estalduren ikerketaren aurrerapena

1. Grafitozko substratuak

Grafitoaren abantailak:

Grafitoa oso erabilia da tenperatura altuko metalurgian, energia-baterietan eta erdieroaleen fabrikazioan, tenperatura altuko tolerantziagatik (3850 °C inguruko fusio-puntua), eroankortasun termiko handia eta shock termikorako erresistentzia bikainagatik. Hala ere, grafitoa metal urtuek tenperatura altuetan oxidatzeko eta korrosiorako joera dute.

-ren rolaTaC estaldurak:

TaC estaldurek oxidazio-erresistentzia, korrosioarekiko erresistentzia eta grafitoaren propietate mekanikoak nabarmen hobetu ditzakete, eta, ondorioz, bere potentziala areagotu egiten dute muturreko inguruneetan.

Estaldura metodoak eta ondorioak:

(1) Plasma ihinztatzea:

Ikerketa: Trignan et al. plasma ihinztaketa erabili zuen 150 µm-ko lodiera uztekoTaC estalduragrafitoaren gainazalean, tenperatura altuko tolerantzia nabarmen hobetuz. Estaldurak TaC0.85 eta Ta2C ihinztaduraren ondorengo TaC0.85 eta Ta2C zituen arren, oso-osorik geratu zen pitzatu gabe 2000 °C-tan tenperatura altuko tratamenduaren ondoren.

(2) Lurrun-deposizio kimikoa (CVD):

Ikerketa: Lv et al. TaCl5-Ar-C3H6 sistema erabili zuen grafitozko gainazaletan C-TaC estaldura anitzeko estaldura prestatzeko CVD metodoa erabiliz. Haien azterketak agerian utzi zuen estaldurako karbono-edukia handitu ahala marruskadura-koefizientea gutxitzen zela, higadura-erresistentzia bikaina adieraziz.

(3) Minda sinterizatzeko metodoa:

Ikerketa: Shen et al. minda bat prestatu zuten TaCl5 eta azetilacetona erabiliz, grafitozko gainazaletan aplikatu eta gero tenperatura altuko sinterizazioa egin zuten. OndoriozTaC estaldurapartikulek gutxi gorabehera 1 µm-ko tamaina zuten eta egonkortasun kimiko ona eta tenperatura altuko egonkortasuna erakutsi zuten 2000 °C-tan tratatu ondoren.

1. irudia

1a irudiak CVD metodoaren bidez prestatutako TaC arragoa aurkezten du, 1b eta 1c irudiek, berriz, MOCVD-GaN hazkunde epitaxialaren eta AlN sublimazio hazkuntza baldintzetan arragoaren egoera erakusten dute, hurrenez hurren. Irudi hauek erakusten duteTaC estalduramuturreko tenperaturetan ablazioaren erresistentzia bikaina izateaz gain, egitura-egonkortasun handia mantentzen du tenperatura altuko baldintzetan.

2. Karbono-zuntzezko substratua

Karbono zuntzaren ezaugarriak:

Karbono-zuntzak bere indar espezifiko handia eta modulu espezifiko handia ditu, eroankortasun elektriko bikaina, eroankortasun termikoa, azido eta alkalinoaren korrosioarekiko erresistentzia eta tenperatura altuko egonkortasunarekin batera. Dena den, karbono-zuntzak ezaugarri nagusi horiek galtzen ditu tenperatura altuko ingurune oxidatiboetan.

-ren rolaTaC estaldura:

Gordailua aTaC estaldurakarbono-zuntzaren gainazalean nabarmen hobetzen du bere oxidazio-erresistentzia eta erradiazio-erresistentzia, eta, ondorioz, bere aplikagarritasuna hobetzen du muturreko tenperatura altuko inguruneetan.

Estaldura metodoak eta ondorioak:

(1) Lurrun kimikoen infiltrazioa (CVI):

Ikerketa: Chen et al. gordailatu aTaC estaldurakarbono-zuntzean CVI metodoa erabiliz. Ikerketak aurkitu zuen 950-1000 °C-ko jalkitze-tenperaturetan, TaC estaldurak egitura trinkoa eta oxidazio-erresistentzia bikaina erakusten zituela tenperatura altuetan.

(2) In situ erreakzio metodoa:

Ikerketa: Liu et al. TaC/PyC ehunak prestatu zituen kotoi-zuntzetan in situ erreakzio metodoa erabiliz. Ehun hauek blindaje elektromagnetikoen eraginkortasun oso handia erakutsi zuten (75,0 dB), PyC ehun tradizionalen gainetik (24,4 dB).

(3) Gatzaren urtutako metodoa:

Ikerketa: Dong et al. prestatu aTaC estaldurakarbono-zuntzaren gainazalean gatz urtuaren metodoa erabiliz. Emaitzek erakutsi zuten estaldura honek karbono-zuntzaren oxidazio-erresistentzia nabarmen hobetzen zuela.

2. irudia

2. Irudia: 2. Irudiak baldintza ezberdinetan prestatutako karbono-zuntzen jatorrizko eta TaC-ez estalitako karbono-zuntzen SEM irudiak erakusten ditu, analisi termogravimetrikoen (TGA) kurbekin batera estaldura-baldintza ezberdinetan.

2a irudia: jatorrizko karbono-zuntzen morfologia erakusten du.

2b Irudia: TaC-z estalitako karbono-zuntzen gainazaleko morfologia erakusten du 1000 °C-tan prestatutakoa, estaldura trinkoa eta uniformeki banatuta.

2c irudia: TGA kurbek adierazten duteTaC estaldurakarbono-zuntzen oxidazio-erresistentzia nabarmen hobetzen du, 1100 °C-tan prestatutako estaldurak oxidazio-erresistentzia handiagoa erakusten duelako.

3. C/C Matrize Konposatua

C/C konpositeen ezaugarriak:

C/C konposatuak karbono-zuntzez indartutako karbono-matrize konposatuak dira, modulu espezifiko eta indar espezifiko handiagatik, shock termikoko egonkortasun onagatik eta tenperatura altuko korrosioarekiko erresistentzia bikainagatik ezagunak. Batez ere aeroespazialean, automobilgintzan eta industriako ekoizpen alorretan erabiltzen dira. Hala ere, C/C konpositeek tenperatura altuko inguruneetan oxidatzeko joera dute eta plastikotasun eskasa dute, eta horrek tenperatura altuagoetan aplikatzea mugatzen du.

-ren rolaTaC estaldura:

A prestatzenTaC estalduraC/C konpositeen gainazalean nabarmen hobetu ditzakete haien ablazioaren erresistentzia, shock termikoaren egonkortasuna eta propietate mekanikoak, eta hortaz, muturreko baldintzetan dituzten aplikazio potentzialak zabalduz.

Estaldura metodoak eta ondorioak:

(1) Plasma ihinztatzeko metodoa:

Ikerketa: Feng et al. C/C konpositeetan HfC-TaC estaldura konposatuak prestatu zituen plasma atmosferiko supersonikoko ihinztadura (SAPS) metodoa erabiliz. Estaldura hauek ablazio-erresistentzia bikaina erakusten zuten 2,38 MW/m²-ko suaren bero-fluxuaren dentsitatearen pean, 0,35 mg/s-ko masa-ablazio-tasa soilik eta 1,05 µm/s-ko ablazio-tasa linealarekin, tenperatura altuetan egonkortasun bikaina adierazten duena.

(2) Sol-Gel metodoa:

Ikerketa: He et al. prestatutaTaC estaldurakC/C konpositeetan sol-gel metodoa erabiliz eta tenperatura ezberdinetan sinterizatu. Azterketak agerian utzi zuen 1600 °C-tan sinterizatu ondoren, estaldurak ablazioaren erresistentzia onena erakusten zuela, geruza-egitura etengabe eta trinkoarekin.

(3) Lurrun-deposizio kimikoa (CVD):

Ikerketa: Ren et al. Hf(Ta)C estaldurak C/C konpositeetan metatu zituen HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar sistema erabiliz CVD metodoaren bidez. Esperimentuek erakutsi zuten estaldurak atxikimendu handia zuela substratuarekiko, eta 120 segundo sugar-ablazioaren ondoren, masa-ablazioaren tasa 0,97 mg/s baino ez zen 1,32 µm/s-ko ablazio-tasa linealarekin, ablazioaren erresistentzia bikaina erakutsiz.

3. irudia

3. irudiak PyC/SiC/TaC/PyC estaldura anitzeko geruzadun C/C konpositeen haustura-morfologia erakusten du.

3a irudia: estalduraren haustura-morfologia orokorra erakusten du, non estalduren geruzen arteko egitura ikus daitekeen.

3b irudia: estalduraren irudi handitua da, geruzen arteko interfaze-baldintzak erakusten dituena.

3c irudia: bi material ezberdinen ebakidura-erresistentzia eta malgutasun-erresistentzia alderatzen ditu, geruza anitzeko estaldura-egiturak C/C konpositeen propietate mekanikoak nabarmen hobetzen dituela adierazten du.

4. CVD-k prestatutako karbonoan oinarritutako materialen TaC estaldurak

CVD metodoak purutasun handikoa, trinkoa eta uniformea ​​sor dezakeTaC estalduraktenperatura baxu samarretan, tenperatura altuko beste prestaketa-metodoetan ikusi ohi diren akatsak eta pitzadurak saihestuz.

CVD parametroen eragina:

(1) Gas-emaria:

CVD prozesuan gas-emaria doituz, estalduraren gainazaleko morfologia eta konposizio kimikoa modu eraginkorrean kontrolatu daitezke. Adibidez, Zhang et al. Ar gasaren emariaren eragina aztertu zuenTaC estaldurahazkundea eta Ar emari-abiadura handitzeak alearen hazkundea moteltzen duela ikusi zuen, ale txikiagoak eta uniformeagoak sortzen direla.

(2) Deposizio-tenperatura:

Deposizio-tenperaturak nabarmen eragiten du estalduraren gainazaleko morfologian eta konposizio kimikoan. Orokorrean, jalkitze-tenperatura altuagoek jalkitze-tasa bizkortzen dute baina barneko tentsioa ere areagotu dezakete, pitzadurak sortuz. Chen et al. hori aurkitu zuenTaC estaldurak800 °C-tan prestatutako karbono libre kopuru txiki bat zegoen, 1000 °C-tan, berriz, estaldurak TaC kristalez osatuta zeuden batez ere.

(3) Deposizio-presioa:

Deposizio-presioak estalduraren ale-tamainari eta jalkitze-tasari eragiten dio batez ere. Ikerketek erakusten dute jalkitze-presioa handitzen den heinean, deposizio-tasa nabarmen hobetzen dela eta alearen tamaina handitzen dela, nahiz eta estalduraren kristal-egitura neurri handi batean aldatzen ez den.

4. irudia

5. irudia

4. eta 5. irudiek H2 emaria eta deposizio-tenperaturak estalduren konposizioan eta ale-tamainan duten eragina erakusten dute.

4. Irudia: H2 emari-abiadura ezberdinek konposizioan duten eragina erakusten duTaC estaldurak850°C eta 950°C-tan. H2-ren fluxua 100 ml/min-koa denean, estaldura TaCz osatuta dago batez ere, Ta2C kopuru txiki batekin. Tenperatura altuagoetan, H2 gehitzeak partikula txikiagoak eta uniformeagoak sortzen ditu.

5. irudia: gainazaleko morfologian eta ale-tamainan izandako aldaketak erakusten dituTaC estaldurakjalkitze-tenperatura ezberdinetan. Tenperatura igo ahala, alearen tamaina pixkanaka hazten da, ale esferikoetatik poliedrikoetara igaroz.

Garapen joerak

Egungo erronkak:

Nahiz etaTaC estaldurakKarbonoan oinarritutako materialen errendimendua nabarmen hobetzen du, TaC eta karbono-substratuaren arteko hedapen termikoko koefizienteen alde handiak pitzadurak eta hausturak sor ditzake tenperatura altuetan. Gainera, bakar batTaC estaldurabaliteke oraindik eskakizun eskakizunak betetzea muturreko baldintza batzuetan.

Irtenbideak:

(1) Estaldura konposatuen sistemak:

Estaldura bakarreko pitzadurak ixteko, geruza anitzeko estaldura konposatu sistemak erabil daitezke. Adibidez, Feng et al. HfC-TaC/HfC-SiC estaldura txandakatuak prestatu zituen C/C konpositeetan SAPS metodoa erabiliz, tenperatura altuetan ablazioaren erresistentzia handiagoa erakutsi zutenak.

(2) Soluzio solidoa indartzeko estaldura sistemak:

HfC, ZrC eta TaC-ek aurpegi-zentratutako kristal kubiko egitura bera dute eta elkarren artean soluzio solidoak sor ditzakete ablazioaren erresistentzia hobetzeko. Adibidez, Wang et al. CVD metodoa erabiliz Hf(Ta)C estaldurak prestatu zituen, tenperatura altuko baldintzetan ablazioaren erresistentzia bikaina erakusten zutenak.

(3) Gradienteen estaldura sistemak:

Gradiente-estaldurek errendimendu orokorra hobetzen dute estalduraren konposizioaren gradiente-banaketa etengabea eskainiz, barne-tentsioa eta hedapen termikoko koefizienteen desegokiak murrizten dituena. Li et al. TaC/SiC gradiente-estaldurak prestatu zituzten, 2300 °C-tan suaren ablazio-probetan talk termikoen erresistentzia bikaina erakutsi zutenak, pitzadurarik edo hausturarik ikusi gabe.

6. irudia

6. irudiak egitura ezberdineko estaldura konposatuen ablazio-erresistentzia erakusten du. 6b irudiak erakusten du txandakako estaldura-egiturek pitzadurak murrizten dituztela tenperatura altuetan, ablazioaren erresistentzia optimoa erakutsiz. Aitzitik, 6c irudiak adierazten du geruza anitzeko estaldurak tenperatura altuetan haustura egiteko joera dutela, interfaze anitzak egoteagatik.

Ondorioa eta aurreikuspenak

Lan honek sistematikoki laburbiltzen du ikerketaren aurrerapenaTaC estaldurakgrafitoa, karbono-zuntza eta C/C konpositeetan, CVD parametroek duten eragina aztertzen du.TaC estalduraerrendimendua, eta egungo gaiak aztertzen ditu.

Karbonoan oinarritutako materialen aplikazio-eskakizunak muturreko baldintzetan betetzeko, ablazio-erresistentzian, oxidazio-erresistentzian eta TaC estalduren tenperatura altuko egonkortasun mekanikoan hobekuntza gehiago behar dira. Gainera, etorkizuneko ikerketek CVD TaC estaldurak prestatzeko funtsezko gaietan sakondu beharko lukete, merkataritza-aplikazioan aurrerapenak sustatuz.TaC estaldurak***

---

Semicorex-en SiC/n espezializatuta gaudeTaC estalitako grafitozko produktuaketa erdieroaleen fabrikazioan aplikatutako CVD SiC teknologia, edozein kontsulta baduzu edo xehetasun gehiago behar badituzu, ez izan zalantzarik eta jarri gurekin harremanetan.

Harremanetarako telefonoa: +86-13567891907

Posta elektronikoa: sales@semicorex.com