Forskningsfremgang for TaC-belegg på karbonbaserte materialoverflater

Forskningsbakgrunn

Karbonbaserte materialer som grafitt, karbonfibre og karbon/karbon (C/C) kompositter er kjent for sin høye spesifikke styrke, høye spesifikke modul og utmerkede termiske egenskaper, noe som gjør dem egnet for et bredt spekter av høytemperaturapplikasjoner . Disse materialene er mye brukt i romfart, kjemiteknikk og energilagring. Imidlertid begrenser deres mottakelighet for oksidasjon og korrosjon i høytemperaturmiljøer, sammen med dårlig ripebestandighet, deres videre anvendelse.

Med teknologiske fremskritt er eksisterende karbonbaserte materialer i økende grad ute av stand til å møte de strenge kravene fra ekstreme miljøer, spesielt når det gjelder oksidasjons- og korrosjonsbestandighet. Derfor har forbedring av ytelsen til disse materialene blitt en viktig forskningsretning.

Tantalkarbid (TaC) er et materiale med ekstremt høyt smeltepunkt (3880°C), utmerket mekanisk stabilitet ved høye temperaturer og korrosjonsbestandighet. Den viser også god kjemisk kompatibilitet med karbonbaserte materialer.TaC-beleggkan betydelig forbedre oksidasjonsmotstanden og de mekaniske egenskapene til karbonbaserte materialer, og utvide deres anvendelighet i ekstreme miljøer.

Forskningsfremgang for TaC-belegg på karbonbaserte materialoverflater

1. Grafittsubstrater

Fordeler med grafitt:

Grafitt er mye brukt i høytemperaturmetallurgi, energibatterier og halvlederproduksjon på grunn av sin høytemperaturtoleranse (smeltepunkt rundt 3850 °C), høy termisk ledningsevne og utmerket termisk sjokkmotstand. Imidlertid er grafitt utsatt for oksidasjon og korrosjon av smeltede metaller ved høye temperaturer.

Rollen tilTaC belegg:

TaC-belegg kan forbedre oksidasjonsmotstanden, korrosjonsmotstanden og de mekaniske egenskapene til grafitt betydelig, og dermed forbedre potensialet for bruk i ekstreme miljøer.

Beleggingsmetoder og effekter:

(1) Plasmaspraying:

Forskning: Trignan et al. brukte plasmaspraying for å avsette en 150 µm tykkTaC beleggpå overflaten av grafitt, noe som forbedrer dens høytemperaturtoleranse betydelig. Selv om belegget inneholdt TaC0,85 og Ta2C etter sprøyting, forble det intakt uten å sprekke etter høytemperaturbehandling ved 2000°C.

(2) Kjemisk dampavsetning (CVD):

Forskning: Lv et al. benyttet TaCl5-Ar-C3H6-systemet for å fremstille et C-TaC flerfasebelegg på grafittoverflater ved å bruke CVD-metoden. Studien deres viste at når karboninnholdet i belegget økte, sank friksjonskoeffisienten, noe som indikerer utmerket slitestyrke.

(3) Oppslemningssintringsmetode:

Forskning: Shen et al. laget en slurry med TaCl5 og acetylaceton, som de påførte grafittoverflater og deretter utsatt for høytemperatursintring. Det resulterendeTaC beleggpartikler var omtrent 1 µm i størrelse og viste god kjemisk stabilitet og høy temperatur stabilitet etter behandling ved 2000°C.

Figur 1

Figur 1a viser TaC-digelen fremstilt via CVD-metoden, mens figur 1b og 1c illustrerer tilstanden til digelen under henholdsvis MOCVD-GaN epitaksial vekst og AlN sublimasjonsvekstbetingelser. Disse bildene viser atTaC beleggUtviser ikke bare utmerket ablasjonsmotstand ved ekstreme temperaturer, men opprettholder også høy strukturell stabilitet under høye temperaturforhold.

2. Karbonfibersubstrat

Karakteristikk av karbonfiber:

Karbonfiber er preget av sin høye spesifikke styrke og høye spesifikke modul, sammen med utmerket elektrisk ledningsevne, termisk ledningsevne, syre- og alkalikorrosjonsbestandighet og høytemperaturstabilitet. Imidlertid har karbonfiber en tendens til å miste disse overlegne egenskapene i oksidative miljøer med høy temperatur.

Rollen tilTaC belegg:

Deponerer enTaC beleggpå overflaten av karbonfiber forbedrer oksidasjonsmotstanden og strålingsmotstanden betydelig, og forbedrer dermed dens anvendelighet i ekstreme høytemperaturmiljøer.

Beleggingsmetoder og effekter:

(1) Kjemisk dampinfiltrasjon (CVI):

Forskning: Chen et al. deponerte enTaC beleggpå karbonfiber ved bruk av CVI-metoden. Studien fant at ved avsetningstemperaturer på 950-1000°C, viste TaC-belegget en tett struktur og utmerket oksidasjonsmotstand ved høye temperaturer.

(2) In situ reaksjonsmetode:

Forskning: Liu et al. forberedt TaC/PyC-stoffer på bomullsfibre ved bruk av in situ-reaksjonsmetoden. Disse stoffene demonstrerte ekstremt høy elektromagnetisk skjermingseffektivitet (75,0 dB), betydelig bedre enn tradisjonelle PyC-stoffer (24,4 dB).

(3) Smeltet saltmetode:

Forskning: Dong et al. forberedt aTaC beleggpå overflaten av karbonfiber ved bruk av smeltet salt-metoden. Resultatene viste at dette belegget betydelig forbedret oksidasjonsmotstanden til karbonfiber.

Figur 2

Figur 2: Figur 2 viser SEM-bilder av originale karbonfibre og TaC-belagte karbonfibre fremstilt under forskjellige forhold, sammen med termogravimetrisk analyse (TGA) kurver under forskjellige beleggforhold.

Figur 2a: Viser morfologien til originale karbonfibre.

Figur 2b: Viser overflatemorfologien til TaC-belagte karbonfibre fremstilt ved 1000°C, med belegget tett og jevnt fordelt.

Figur 2c: TGA-kurver indikerer atTaC beleggforbedrer oksidasjonsmotstanden til karbonfiber betydelig, med belegget fremstilt ved 1100°C som viser overlegen oksidasjonsmotstand.

3. C/C-komposittmatrise

Egenskaper for C/C-kompositter:

C/C-kompositter er karbonfiberforsterkede karbonmatrise-kompositter, kjent for sin høye spesifikke modul og høye spesifikke styrke, gode termiske støtstabilitet og utmerket motstand mot korrosjon ved høye temperaturer. De brukes først og fremst innen romfart, bilindustri og industriproduksjon. Imidlertid er C/C-kompositter utsatt for oksidasjon i høytemperaturmiljøer og har dårlig plastisitet, noe som begrenser deres anvendelse ved høyere temperaturer.

Rollen tilTaC belegg:

Forbereder enTaC beleggpå overflaten av C/C-kompositter kan betydelig forbedre deres ablasjonsmotstand, termiske sjokkstabilitet og mekaniske egenskaper, og dermed utvide deres potensielle anvendelser under ekstreme forhold.

Beleggingsmetoder og effekter:

(1) Plasmasprøytemetode:

Forskning: Feng et al. forberedt HfC-TaC-komposittbelegg på C/C-kompositter ved bruk av supersonisk atmosfærisk plasmasprøyting (SAPS)-metoden. Disse beleggene viste utmerket ablasjonsmotstand under en flammevarmeflukstetthet på 2,38 MW/m², med en masseablasjonshastighet på bare 0,35 mg/s og en lineær ablasjonshastighet på 1,05 µm/s, noe som indikerer enestående stabilitet ved høye temperaturer.

(2) Sol-Gel-metode:

Forskning: Han et al. forberedtTaC-beleggpå C/C-kompositter ved bruk av sol-gel-metoden og sintret dem ved forskjellige temperaturer. Studien viste at etter sintring ved 1600°C viste belegget den beste ablasjonsmotstanden, med en kontinuerlig og tett lagstruktur.

(3) Kjemisk dampavsetning (CVD):

Forskning: Ren et al. avsatt Hf(Ta)C-belegg på C/C-kompositter ved bruk av HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar-systemet gjennom CVD-metoden. Eksperimentene viste at belegget hadde sterk adhesjon til underlaget, og etter 120 sekunder med flammeablasjon var masseablasjonshastigheten kun 0,97 mg/s med en lineær ablasjonshastighet på 1,32 µm/s, noe som viste utmerket ablasjonsmotstand.

Figur 3

Figur 3 viser bruddmorfologien til C/C-kompositter med flerlags PyC/SiC/TaC/PyC-belegg.

Figur 3a: Viser den generelle bruddmorfologien til belegget, der mellomlagsstrukturen til beleggene kan observeres.

Figur 3b: Er et forstørret bilde av belegget, som viser grensesnittforholdene mellom lagene.

Figur 3c: Sammenligner grensesnittsskjærstyrken og bøyestyrken til to forskjellige materialer, noe som indikerer at flerlagsbeleggstrukturen forbedrer de mekaniske egenskapene til C/C-komposittene betydelig.

4. TaC-belegg på karbonbaserte materialer utarbeidet av CVD

CVD-metoden kan produsere høy renhet, tett og ensartetTaC-beleggved relativt lave temperaturer, og unngår defektene og sprekkene som vanligvis sees i andre høytemperaturfremstillingsmetoder.

Påvirkning av CVD-parametre:

(1) Gassstrømhastighet:

Ved å justere gassstrømningshastigheten under CVD-prosessen, kan overflatemorfologien og kjemisk sammensetning av belegget kontrolleres effektivt. For eksempel, Zhang et al. studerte effekten av Ar gass strømningshastighet påTaC beleggvekst og fant at å øke Ar-strømningshastigheten bremser kornveksten, noe som resulterer i mindre og mer jevne korn.

(2) Deponeringstemperatur:

Avsetningstemperatur påvirker overflatemorfologien og kjemisk sammensetning av belegget betydelig. Generelt sett akselererer høyere avsetningstemperaturer avsetningshastigheten, men kan også øke indre stress, noe som fører til dannelse av sprekker. Chen et al. fant detTaC-beleggfremstilt ved 800°C inneholdt en liten mengde fritt karbon, mens ved 1000°C besto beleggene hovedsakelig av TaC-krystaller.

(3) Avsetningstrykk:

Avsetningstrykk påvirker først og fremst kornstørrelsen og avsetningshastigheten til belegget. Studier viser at når avsetningstrykket øker, forbedres avsetningshastigheten betydelig, og kornstørrelsen øker, selv om krystallstrukturen til belegget forblir stort sett uendret.

Figur 4

Figur 5

Figurene 4 og 5 illustrerer virkningene av H2-strømningshastighet og avsetningstemperatur på sammensetningen og kornstørrelsen til beleggene.

Figur 4: Viser effekten av ulike H2 strømningshastigheter på sammensetningen avTaC-beleggved 850°C og 950°C. Når H2-strømningshastigheten er 100 ml/min, består belegget hovedsakelig av TaC med en liten mengde Ta2C. Ved høyere temperaturer gir tilsetning av H2 mindre og mer jevne partikler.

Figur 5: Viser endringene i overflatemorfologi og kornstørrelse påTaC-beleggved forskjellige deponeringstemperaturer. Når temperaturen øker, vokser kornstørrelsen gradvis, og går over fra sfæriske til polyedriske korn.

Utviklingstrender

Aktuelle utfordringer:

SkjøntTaC-beleggforbedre ytelsen til karbonbaserte materialer betydelig, den store forskjellen i termiske ekspansjonskoeffisienter mellom TaC og karbonsubstratet kan føre til sprekker og avskalling under høye temperaturer. I tillegg en singelTaC beleggkan fortsatt ikke oppfylle søknadskravene under visse ekstreme forhold.

Løsninger:

(1) Komposittbeleggsystemer:

For å tette sprekker i et enkelt belegg kan flerlags komposittbeleggssystemer brukes. For eksempel, Feng et al. utarbeidet alternerende HfC-TaC/HfC-SiC-belegg på C/C-kompositter ved bruk av SAPS-metoden, som viste overlegen ablasjonsmotstand ved høye temperaturer.

(2) Solid Solution Styrking Coating Systems:

HfC, ZrC og TaC har samme ansiktssentrerte kubiske krystallstruktur og kan danne solide løsninger med hverandre for å forbedre ablasjonsmotstanden. For eksempel, Wang et al. forberedte Hf(Ta)C-belegg ved bruk av CVD-metoden, som viste utmerket ablasjonsmotstand under høye temperaturforhold.

(3) Gradientbeleggsystemer:

Gradientbelegg forbedrer den generelle ytelsen ved å gi en kontinuerlig gradientfordeling av beleggsammensetningen, noe som reduserer indre spenninger og uoverensstemmelser i termiske ekspansjonskoeffisienter. Li et al. forberedte TaC/SiC-gradientbelegg som viste utmerket motstand mot termisk sjokk under flammeablasjonstester ved 2300°C, uten observert sprekkdannelse eller avskalling.

Figur 6

Figur 6 illustrerer ablasjonsmotstanden til komposittbelegg med forskjellige strukturer. Figur 6b viser at alternerende beleggsstrukturer reduserer sprekker ved høye temperaturer, og viser optimal ablasjonsmotstand. I motsetning til dette indikerer figur 6c at flerlagsbelegg er utsatt for avskalling ved høye temperaturer på grunn av tilstedeværelsen av flere grensesnitt.

Konklusjon og utsikter

Denne artikkelen oppsummerer systematisk forskningsfremgangen tilTaC-beleggpå grafitt, karbonfiber og C/C-kompositter, diskuterer innflytelsen av CVD-parametere påTaC beleggytelse, og analyserer aktuelle problemstillinger.

For å møte påføringskravene til karbonbaserte materialer under ekstreme forhold, er det nødvendig med ytterligere forbedringer i ablasjonsmotstanden, oksidasjonsmotstanden og høytemperatur mekanisk stabilitet til TaC-belegg. I tillegg bør fremtidig forskning fordype seg i nøkkelspørsmålene i utarbeidelsen av CVD TaC-belegg, og fremme fremskritt innen kommersiell bruk avTaC-belegg.**

---

Vi i Semicorex er spesialister på SiC/TaC-belagte grafittprodukterog CVD SiC-teknologi brukt i halvlederproduksjon, hvis du har spørsmål eller trenger ytterligere detaljer, ikke nøl med å ta kontakt med oss.

Kontakttelefon: +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com