Forskningsfremskridt for TaC-belægninger på kulstofbaserede materialeoverflader

Forskningsbaggrund

Kulstofbaserede materialer såsom grafit, kulfibre og kulstof/kulstof (C/C) kompositter er kendt for deres høje specifikke styrke, høje specifikke modul og fremragende termiske egenskaber, hvilket gør dem velegnede til en bred vifte af højtemperaturapplikationer . Disse materialer er meget udbredt i rumfart, kemiteknik og energilagring. Imidlertid begrænser deres modtagelighed for oxidation og korrosion i højtemperaturmiljøer, sammen med dårlig ridsebestandighed, deres videre anvendelse.

Med teknologiske fremskridt er eksisterende kulstofbaserede materialer i stigende grad ude af stand til at opfylde de strenge krav fra ekstreme miljøer, især med hensyn til oxidations- og korrosionsbestandighed. Derfor er forbedring af disse materialers ydeevne blevet en vigtig forskningsretning.

Tantalcarbid (TaC) er et materiale med et ekstremt højt smeltepunkt (3880°C), fremragende mekanisk stabilitet ved høje temperaturer og korrosionsbestandighed. Det udviser også god kemisk kompatibilitet med kulstofbaserede materialer.TaC belægningerkan markant forbedre oxidationsmodstanden og de mekaniske egenskaber af kulstofbaserede materialer, hvilket udvider deres anvendelighed i ekstreme miljøer.

Forskningsfremskridt for TaC-belægninger på kulstofbaserede materialeoverflader

1. Grafitsubstrater

Fordele ved grafit:

Grafit er meget udbredt i højtemperaturmetallurgi, energibatterier og halvlederfremstilling på grund af dets høje temperaturtolerance (smeltepunkt omkring 3850°C), høj varmeledningsevne og fremragende termisk stødmodstand. Imidlertid er grafit tilbøjelig til oxidation og korrosion af smeltede metaller ved høje temperaturer.

Rolle afTaC belægninger:

TaC-belægninger kan markant forbedre oxidationsmodstanden, korrosionsbestandigheden og de mekaniske egenskaber af grafit og derved forbedre dets potentiale til anvendelse i ekstreme miljøer.

Belægningsmetoder og effekter:

(1) Plasmasprøjtning:

Forskning: Trignan et al. brugt plasmasprøjtning til at afsætte en 150 µm tykTaC belægningpå overfladen af ​​grafit, hvilket væsentligt forbedrer dens højtemperaturtolerance. Selvom belægningen indeholdt TaC0,85 og Ta2C efter sprøjtning, forblev den intakt uden at revne efter højtemperaturbehandling ved 2000°C.

(2) Kemisk dampaflejring (CVD):

Forskning: Lv et al. anvendte TaCl5-Ar-C3H6-systemet til at fremstille en C-TaC flerfasebelægning på grafitoverflader ved hjælp af CVD-metoden. Deres undersøgelse viste, at efterhånden som kulstofindholdet i belægningen steg, faldt friktionskoefficienten, hvilket indikerer fremragende slidstyrke.

(3) Opslæmningssintringsmetode:

Forskning: Shen et al. fremstillet en opslæmning ved hjælp af TaCl5 og acetylacetone, som de påførte grafitoverflader og derefter udsat for højtemperatursintring. Det resulterendeTaC belægningpartiklerne var ca. 1 µm store og viste god kemisk stabilitet og højtemperaturstabilitet efter behandling ved 2000°C.

Figur 1

Figur 1a viser TaC-diglen fremstillet via CVD-metoden, mens figur 1b og 1c illustrerer diglens tilstand under henholdsvis MOCVD-GaN epitaksial vækst og AlN sublimationsvækstbetingelser. Disse billeder viser, atTaC belægningudviser ikke kun fremragende ablationsmodstand ved ekstreme temperaturer, men opretholder også høj strukturel stabilitet under høje temperaturforhold.

2. Kulfibersubstrat

Karakteristika for kulfiber:

Kulfiber er kendetegnet ved sin høje specifikke styrke og høje specifikke modul, sammen med fremragende elektrisk ledningsevne, termisk ledningsevne, syre- og alkalikorrosionsbestandighed og højtemperaturstabilitet. Kulfiber har dog en tendens til at miste disse overlegne egenskaber i højtemperaturoxidative miljøer.

Rolle afTaC belægning:

Deponering af enTaC belægningpå overfladen af ​​kulfiber forbedrer dens oxidationsmodstand og strålingsmodstand betydeligt og forbedrer derved dens anvendelighed i ekstreme højtemperaturmiljøer.

Belægningsmetoder og effekter:

(1) Kemisk dampinfiltration (CVI):

Forskning: Chen et al. deponerede enTaC belægningpå kulfiber ved hjælp af CVI-metoden. Undersøgelsen viste, at ved aflejringstemperaturer på 950-1000°C udviste TaC-belægningen en tæt struktur og fremragende oxidationsmodstand ved høje temperaturer.

(2) In situ reaktionsmetode:

Forskning: Liu et al. forberedte TaC/PyC-stoffer på bomuldsfibre ved hjælp af in situ-reaktionsmetoden. Disse stoffer udviste ekstrem høj elektromagnetisk afskærmningseffektivitet (75,0 dB), betydeligt bedre end traditionelle PyC-stoffer (24,4 dB).

(3) Smeltet saltmetode:

Forskning: Dong et al. forberedt aTaC belægningpå overfladen af ​​kulfiber ved hjælp af smeltet salt-metoden. Resultaterne viste, at denne belægning væsentligt forbedrede oxidationsmodstanden af ​​kulfiber.

Figur 2

Figur 2: Figur 2 viser SEM-billeder af originale kulfibre og TaC-coatede kulfibre fremstillet under forskellige betingelser sammen med termogravimetrisk analyse (TGA) kurver under forskellige belægningsbetingelser.

Figur 2a: Viser morfologien af ​​originale kulfibre.

Figur 2b: Viser overflademorfologien af ​​TaC-coatede kulfibre fremstillet ved 1000°C, hvor coatingen er tæt og ensartet fordelt.

Figur 2c: TGA-kurver indikerer, atTaC belægningforbedrer oxidationsmodstanden af ​​kulfibre betydeligt, idet belægningen fremstillet ved 1100°C viser overlegen oxidationsmodstand.

3. C/C sammensat matrix

Karakteristika for C/C-kompositter:

C/C-kompositter er kulfiberforstærkede kulstofmatrix-kompositter, kendt for deres høje specifikke modul og høje specifikke styrke, gode termiske stødstabilitet og fremragende korrosionsbestandighed ved høje temperaturer. De bruges primært inden for rumfart, bilindustrien og industriproduktion. C/C-kompositter er dog tilbøjelige til at oxidere i højtemperaturmiljøer og har dårlig plasticitet, hvilket begrænser deres anvendelse ved højere temperaturer.

Rolle afTaC belægning:

Forberedelse af enTaC belægningpå overfladen af ​​C/C-kompositter kan forbedre deres ablationsmodstand, termiske stødstabilitet og mekaniske egenskaber betydeligt og derved udvide deres potentielle anvendelser under ekstreme forhold.

Belægningsmetoder og effekter:

(1) Plasmasprøjtemetode:

Forskning: Feng et al. forberedte HfC-TaC-kompositbelægninger på C/C-kompositter ved brug af supersonisk atmosfærisk plasmasprøjtning (SAPS) metoden. Disse belægninger udviste fremragende ablationsmodstand under en flammevarmefluxtæthed på 2,38 MW/m² med en masseablationshastighed på kun 0,35 mg/s og en lineær ablationshastighed på 1,05 µm/s, hvilket indikerer enestående stabilitet ved høje temperaturer.

(2) Sol-Gel metode:

Forskning: Han et al. forberedtTaC belægningerpå C/C-kompositter ved hjælp af sol-gel-metoden og sintrede dem ved forskellige temperaturer. Undersøgelsen viste, at efter sintring ved 1600°C udviste belægningen den bedste ablationsmodstand med en kontinuerlig og tæt lagstruktur.

(3) Kemisk dampaflejring (CVD):

Forskning: Ren et al. afsatte Hf(Ta)C-belægninger på C/C-kompositter ved hjælp af HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar-systemet gennem CVD-metoden. Forsøgene viste, at belægningen havde stærk vedhæftning til underlaget, og efter 120 sekunders flammeablation var masseablationshastigheden kun 0,97 mg/s med en lineær ablationshastighed på 1,32 µm/s, hvilket viser fremragende ablationsmodstand.

Figur 3

Figur 3 viser brudmorfologien af ​​C/C-kompositter med flerlags PyC/SiC/TaC/PyC-belægninger.

Figur 3a: Viser den overordnede brudmorfologi af belægningen, hvor mellemlagsstrukturen af ​​belægningerne kan observeres.

Figur 3b: Er et forstørret billede af belægningen, der viser grænsefladeforholdene mellem lagene.

Figur 3c: Sammenligner grænsefladeforskydningsstyrken og bøjningsstyrken for to forskellige materialer, hvilket indikerer, at flerlagsbelægningsstrukturen væsentligt forbedrer de mekaniske egenskaber af C/C-kompositterne.

4. TaC-belægninger på kulstofbaserede materialer fremstillet af CVD

CVD-metoden kan producere høj renhed, tæt og ensartetTaC belægningerved relativt lave temperaturer og undgår de defekter og revner, der almindeligvis ses ved andre højtemperaturfremstillingsmetoder.

Indflydelse af CVD-parametre:

(1) Gasstrømningshastighed:

Ved at justere gasstrømningshastigheden under CVD-processen kan overflademorfologien og den kemiske sammensætning af belægningen kontrolleres effektivt. For eksempel, Zhang et al. undersøgt effekten af ​​Ar-gasstrømningshastighed påTaC belægningvækst og fandt ud af, at forøgelse af Ar-flowhastigheden bremser kornvæksten, hvilket resulterer i mindre og mere ensartede korn.

(2) Deponeringstemperatur:

Aflejringstemperaturen påvirker overfladens morfologi og kemiske sammensætning markant. Generelt accelererer højere aflejringstemperaturer aflejringshastigheden, men kan også øge den indre spænding, hvilket fører til dannelsen af ​​revner. Chen et al. fandt detTaC belægningerfremstillet ved 800°C indeholdt en lille mængde frit kulstof, hvorimod belægningerne ved 1000°C hovedsageligt bestod af TaC-krystaller.

(3) Aflejringstryk:

Aflejringstrykket påvirker primært belægningens kornstørrelse og aflejringshastighed. Undersøgelser viser, at når aflejringstrykket stiger, forbedres aflejringshastigheden væsentligt, og kornstørrelsen øges, selvom belægningens krystalstruktur stort set forbliver uændret.

Figur 4

Figur 5

Figur 4 og 5 illustrerer virkningerne af H2-strømningshastighed og aflejringstemperatur på sammensætningen og kornstørrelsen af ​​belægningerne.

Figur 4: Viser effekten af ​​forskellige H2 flowhastigheder på sammensætningen afTaC belægningerved 850°C og 950°C. Når H2 flowhastigheden er 100 ml/min, består belægningen hovedsageligt af TaC med en lille mængde Ta2C. Ved højere temperaturer resulterer tilsætning af H2 i mindre og mere ensartede partikler.

Figur 5: Demonstrerer ændringerne i overflademorfologi og kornstørrelse afTaC belægningerved forskellige deponeringstemperaturer. Efterhånden som temperaturen stiger, vokser kornstørrelsen gradvist og går fra sfæriske til polyedriske korn.

Udviklingstendenser

Aktuelle udfordringer:

SkøntTaC belægningerforbedrer ydeevnen af ​​kulstofbaserede materialer væsentligt, den store forskel i termiske udvidelseskoefficienter mellem TaC og kulstofsubstratet kan føre til revner og afskalninger under høje temperaturer. Derudover en enkeltTaC belægningkan stadig ikke opfylde ansøgningskravene under visse ekstreme forhold.

Løsninger:

(1) Kompositbelægningssystemer:

For at tætne revner i en enkelt belægning kan flerlags kompositbelægningssystemer anvendes. F.eks. beskriver Feng et al. fremstillet alternerende HfC-TaC/HfC-SiC-belægninger på C/C-kompositter ved hjælp af SAPS-metoden, som viste overlegen ablationsmodstand ved høje temperaturer.

(2) Solid Solution Forstærkende belægningssystemer:

HfC, ZrC og TaC har den samme ansigtscentrerede kubiske krystalstruktur og kan danne solide opløsninger med hinanden for at øge ablationsmodstanden. For eksempel beskriver Wang et al. fremstillede Hf(Ta)C-belægninger ved hjælp af CVD-metoden, som udviste fremragende ablationsmodstand under høje temperaturforhold.

(3) Gradientbelægningssystemer:

Gradientbelægninger forbedrer den overordnede ydeevne ved at give en kontinuerlig gradientfordeling af belægningssammensætningen, hvilket reducerer intern spænding og uoverensstemmelser i termiske udvidelseskoefficienter. Li et al. forberedte TaC/SiC-gradientbelægninger, der viste fremragende termisk stødmodstand under flammeablationstests ved 2300°C, uden observeret revnedannelse eller afskalning.

Figur 6

Figur 6 illustrerer ablationsmodstanden af ​​kompositbelægninger med forskellige strukturer. Figur 6b viser, at alternerende belægningsstrukturer reducerer revner ved høje temperaturer, hvilket udviser optimal ablationsmodstand. I modsætning hertil viser figur 6c, at flerlagsbelægninger er tilbøjelige til at sprænge ved høje temperaturer på grund af tilstedeværelsen af ​​flere grænseflader.

Konklusion og Outlook

Denne artikel opsummerer systematisk forskningens fremskridtTaC belægningerpå grafit, kulfiber og C/C-kompositter, diskuterer indflydelsen af ​​CVD-parametre påTaC belægningperformance og analyserer aktuelle problemstillinger.

For at imødekomme anvendelseskravene for kulstofbaserede materialer under ekstreme forhold er der behov for yderligere forbedringer i ablationsmodstanden, oxidationsmodstanden og højtemperaturmekanisk stabilitet af TaC-belægninger. Derudover bør fremtidig forskning dykke ned i nøglespørgsmålene i forberedelsen af ​​CVD TaC-belægninger, hvilket fremmer fremskridt inden for kommerciel anvendelse afTaC belægninger.**

---

Vi hos Semicorex er specialister i SiC/TaC-belagte grafitprodukterog CVD SiC-teknologi anvendt i halvlederfremstilling, hvis du har spørgsmål eller har brug for yderligere detaljer, så tøv ikke med at kontakte os.

Kontakt telefon: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com