Напредък на изследванията на TaC покрития върху повърхности на въглеродни материали

Предистория на изследването

Въглеродни материали като графит, въглеродни влакна и композити въглерод/въглерод (C/C) са известни със своята висока специфична якост, висок специфичен модул и отлични термични свойства, което ги прави подходящи за широк спектър от високотемпературни приложения . Тези материали се използват широко в космическото, химическото инженерство и съхранението на енергия. Въпреки това, тяхната чувствителност към окисление и корозия в среда с висока температура, заедно с лошата устойчивост на надраскване, ограничава по-нататъшното им приложение.

С технологичния напредък съществуващите въглеродни материали все повече не могат да отговорят на строгите изисквания на екстремни среди, особено по отношение на устойчивостта на окисляване и корозия. Следователно подобряването на ефективността на тези материали се превърна в ключова изследователска посока.

Танталовият карбид (TaC) е материал с изключително висока точка на топене (3880°C), отлична механична стабилност при високи температури и устойчивост на корозия. Освен това показва добра химическа съвместимост с въглеродни материали.TaC покритияможе значително да подобри устойчивостта на окисляване и механичните свойства на въглеродните материали, разширявайки тяхната приложимост в екстремни среди.

Напредък на изследванията на TaC покрития върху повърхности на въглеродни материали

1. Графитни субстрати

Предимства на графита:

Графитът се използва широко във високотемпературната металургия, енергийни батерии и производство на полупроводници поради своята устойчивост на висока температура (точка на топене около 3850°C), висока топлопроводимост и отлична устойчивост на термичен шок. Въпреки това, графитът е склонен към окисляване и корозия от разтопени метали при високи температури.

Роля наTaC покрития:

TaC покритията могат значително да подобрят устойчивостта на окисляване, устойчивостта на корозия и механичните свойства на графита, като по този начин повишават потенциала му за приложения в екстремни среди.

Методи и ефекти на покритие:

(1) Плазмено пръскане:

Изследване: Trignan et al. използва плазмено пръскане за отлагане на 150 µm дебелинаTaC покритиевърху повърхността на графита, което значително повишава неговата устойчивост на висока температура. Въпреки че покритието съдържа TaC0.85 и Ta2C след напръскване, то остава непокътнато без напукване след високотемпературно третиране при 2000°C.

(2) Химично отлагане на пари (CVD):

Изследване: Lv et al. използва системата TaCl5-Ar-C3H6 за получаване на C-TaC многофазно покритие върху графитни повърхности, използвайки метода CVD. Тяхното проучване разкри, че с увеличаване на съдържанието на въглерод в покритието коефициентът на триене намалява, което показва отлична устойчивост на износване.

(3) Метод на синтероване на суспензия:

Изследване: Shen et al. приготвят суспензия, използвайки TaCl5 и ацетилацетон, която нанасят върху графитни повърхности и след това подлагат на синтероване при висока температура. ПолученатаTaC покритиечастиците са с размер приблизително 1 µm и демонстрират добра химическа стабилност и стабилност при висока температура след третиране при 2000°C.

Фигура 1

Фигура 1а представя тигела TaC, приготвен чрез метода CVD, докато фигури 1b и 1c илюстрират състоянието на тигела при MOCVD-GaN условия на епитаксиален растеж и сублимационен растеж на AlN, съответно. Тези изображения показват, чеTaC покритиене само проявява отлична устойчивост на аблация при екстремни температури, но също така поддържа висока структурна стабилност при условия на висока температура.

2. Субстрат от въглеродни влакна

Характеристики на въглеродните влакна:

Въглеродните влакна се характеризират с висока специфична якост и висок специфичен модул, заедно с отлична електрическа проводимост, топлопроводимост, устойчивост на киселинна и алкална корозия и стабилност при висока температура. Въпреки това въглеродните влакна са склонни да губят тези превъзходни свойства във високотемпературни окислителни среди.

Роля наTaC покритие:

Депозиране на aTaC покритиевърху повърхността на въглеродните влакна значително повишава устойчивостта им на окисляване и устойчивост на радиация, като по този начин подобрява приложимостта им в среди с екстремни високи температури.

Методи и ефекти на покритие:

(1) Инфилтрация на химически пари (CVI):

Изследване: Chen et al. депозиран aTaC покритиевърху въглеродни влакна по метода CVI. Проучването установи, че при температури на отлагане от 950-1000°C, TaC покритието показва плътна структура и отлична устойчивост на окисляване при високи температури.

(2) Метод на реакция на място:

Изследване: Liu et al. подготвени TaC/PyC тъкани върху памучни влакна, използвайки in situ реакционния метод. Тези тъкани демонстрират изключително висока ефективност на електромагнитно екраниране (75,0 dB), значително превъзхождаща традиционните PyC тъкани (24,4 dB).

(3) Метод с разтопена сол:

Изследване: Dong et al. приготвен аTaC покритиевърху повърхността на въглеродни влакна, използвайки метода на разтопената сол. Резултатите показват, че това покритие значително подобрява устойчивостта на окисление на въглеродните влакна.

Фигура 2

Фигура 2: Фигура 2 показва SEM изображения на оригинални въглеродни влакна и покрити с TaC въглеродни влакна, приготвени при различни условия, заедно с кривите на термогравиметричния анализ (TGA) при различни условия на покритие.

Фигура 2a: Показва морфологията на оригиналните въглеродни влакна.

Фигура 2b: Показва повърхностната морфология на покрити с TaC въглеродни влакна, приготвени при 1000°C, като покритието е плътно и равномерно разпределено.

Фигура 2c: TGA криви показват, чеTaC покритиезначително повишава устойчивостта на окисляване на въглеродните влакна, като покритието, приготвено при 1100°C, показва превъзходна устойчивост на окисление.

3. C/C композитна матрица

Характеристики на C/C композитите:

C/C композитите са подсилени с въглеродни влакна композити с въглеродна матрица, известни със своя висок специфичен модул и висока специфична якост, добра устойчивост на термичен удар и отлична устойчивост на корозия при висока температура. Те се използват предимно в космическата промишленост, автомобилостроенето и индустриалното производство. Въпреки това C/C композитите са склонни към окисление във високотемпературни среди и имат лоша пластичност, което ограничава тяхното приложение при по-високи температури.

Роля наTaC покритие:

Подготовка на aTaC покритиевърху повърхността на C/C композитите могат значително да подобрят тяхната устойчивост на аблация, устойчивост на термичен шок и механични свойства, като по този начин разширяват потенциалните им приложения при екстремни условия.

Методи и ефекти на покритие:

(1) Метод на плазмено пръскане:

Изследване: Feng et al. подготвен HfC-TaC композитни покрития върху C/C композити, използвайки метода на свръхзвуково атмосферно плазмено пръскане (SAPS). Тези покрития показаха отлична устойчивост на аблация при плътност на пламъчния топлинен поток от 2,38 MW/m², с масова скорост на аблация от само 0,35 mg/s и линейна скорост на аблация от 1,05 µm/s, което показва изключителна стабилност при високи температури.

(2) Сол-гел метод:

Изследване: Той и др. подготвениTaC покритиявърху C/C композити по метода зол-гел и ги синтерова при различни температури. Проучването разкрива, че след синтероване при 1600°C, покритието показва най-добра устойчивост на аблация, с непрекъсната и плътна слоеста структура.

(3) Химично отлагане на пари (CVD):

Изследване: Ren et al. отложени Hf(Ta)C покрития върху C/C композити, използвайки системата HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar чрез метода CVD. Експериментите показаха, че покритието има силна адхезия към субстрата и след 120 секунди пламъчна аблация скоростта на масова аблация беше само 0,97 mg/s с линейна скорост на аблация от 1,32 µm/s, демонстрирайки отлична устойчивост на аблация.

Фигура 3

Фигура 3 показва морфологията на счупване на C/C композити с многослойни PyC/SiC/TaC/PyC покрития.

Фигура 3a: Показва общата морфология на счупване на покритието, където може да се наблюдава междинната структура на покритията.

Фигура 3b: Увеличено изображение на покритието, показващо интерфейсните условия между слоевете.

Фигура 3c: Сравнява междуфазната якост на срязване и якост на огъване на два различни материала, което показва, че структурата на многослойното покритие значително подобрява механичните свойства на C/C композитите.

4. TaC покрития върху въглеродни материали, получени чрез CVD

CVD методът може да произведе висока чистота, плътност и еднородностTaC покритияпри сравнително ниски температури, като се избягват дефектите и пукнатините, които обикновено се наблюдават при други методи за подготовка при висока температура.

Влияние на параметрите на CVD:

(1) Дебит на газа:

Чрез регулиране на скоростта на газовия поток по време на CVD процеса, повърхностната морфология и химическият състав на покритието могат да бъдат ефективно контролирани. Например, Zhang et al. изследва ефекта на дебита на Ar газ върхуTaC покритиерастеж и установи, че увеличаването на скоростта на потока Ar забавя растежа на зърната, което води до по-малки и по-еднородни зърна.

(2) Температура на отлагане:

Температурата на отлагане значително влияе върху морфологията на повърхността и химичния състав на покритието. Като цяло, по-високите температури на отлагане ускоряват скоростта на отлагане, но могат също така да увеличат вътрешното напрежение, което води до образуване на пукнатини. Чен и др. установи, чеTaC покритияприготвени при 800°C съдържат малко количество свободен въглерод, докато при 1000°C покритията се състоят главно от TaC кристали.

(3) Налягане на отлагане:

Налягането на отлагане влияе предимно върху размера на зърната и скоростта на отлагане на покритието. Проучванията показват, че с увеличаване на налягането на отлагане скоростта на отлагане значително се подобрява и размерът на зърното се увеличава, въпреки че кристалната структура на покритието остава до голяма степен непроменена.

Фигура 4

Фигура 5

Фигури 4 и 5 илюстрират ефектите от скоростта на потока H2 и температурата на отлагане върху състава и размера на зърната на покритията.

Фигура 4: Показва ефекта от различните скорости на потока H2 върху състава наTaC покритияпри 850°C и 950°C. Когато скоростта на потока на H2 е 100 mL/min, покритието се състои главно от TaC с малко количество Ta2C. При по-високи температури добавянето на H2 води до по-малки и по-еднородни частици.

Фигура 5: Демонстрира промените в повърхностната морфология и размера на зърната наTaC покритияпри различни температури на отлагане. С повишаването на температурата размерът на зърната постепенно нараства, преминавайки от сферични към полиедрични зърна.

Тенденции на развитие

Текущи предизвикателства:

въпреки чеTaC покритиязначително подобряват производителността на базираните на въглерод материали, голямата разлика в коефициентите на топлинно разширение между TaC и въглеродния субстрат може да доведе до пукнатини и разцепване при високи температури. Освен това единиченTaC покритиевсе още може да не отговаря на изискванията за кандидатстване при определени екстремни условия.

Решения:

(1) Системи за композитни покрития:

За запечатване на пукнатини в едно покритие могат да се използват многослойни композитни покривни системи. Например Feng et al. подготвиха редуващи се HfC-TaC/HfC-SiC покрития върху C/C композити, използвайки метода SAPS, който показа превъзходна устойчивост на аблация при високи температури.

(2) Системи за укрепващи покрития с твърд разтвор:

HfC, ZrC и TaC имат една и съща лицево-центрирана кубична кристална структура и могат да образуват твърди разтвори един с друг, за да подобрят устойчивостта на аблация. Например Wang et al. приготвени Hf (Ta) C покрития с помощта на метода CVD, който показва отлична устойчивост на аблация при условия на висока температура.

(3) Системи за градиентно покритие:

Градиентните покрития подобряват цялостната производителност чрез осигуряване на непрекъснато градиентно разпределение на състава на покритието, което намалява вътрешното напрежение и несъответствията в коефициентите на топлинно разширение. Li et al. подготвени TaC/SiC градиентни покрития, които показаха отлична устойчивост на термичен шок по време на тестове за пламъчна аблация при 2300°C, без наблюдавано напукване или разцепване.

Фигура 6

Фигура 6 илюстрира устойчивостта на аблация на композитни покрития с различни структури. Фигура 6b показва, че редуващите се покривни структури намаляват пукнатините при високи температури, проявявайки оптимална устойчивост на аблация. За разлика от това, Фигура 6с показва, че многослойните покрития са склонни към разцепване при високи температури поради наличието на множество интерфейси.

Заключение и перспектива

Този документ систематично обобщава напредъка на изследванията наTaC покритиявърху графит, въглеродни влакна и C/C композити, обсъжда влиянието на CVD параметрите върхуTaC покритиепредставяне и анализира текущи проблеми.

За да се изпълнят изискванията за приложение на материали на основата на въглерод при екстремни условия, са необходими допълнителни подобрения в устойчивостта на аблация, устойчивостта на окисляване и механичната стабилност при висока температура на TaC покритията. Освен това бъдещите изследвания трябва да се задълбочат в ключовите въпроси при подготовката на CVD TaC покрития, насърчавайки напредъка в търговското приложение наTaC покрития.**

---

Ние от Semicorex сме специализирани в SiC/Графитни продукти с TaC покритиеи CVD SiC технология, прилагана в производството на полупроводници, ако имате запитвания или се нуждаете от допълнителни подробности, моля не се колебайте да се свържете с нас.

Телефон за връзка: +86-13567891907

Имейл: sales@semicorex.com