Прогрес досліджень TaC покриттів на поверхнях матеріалів на основі вуглецю

Передумови дослідження

Матеріали на основі вуглецю, такі як графіт, вуглецеві волокна та композити вуглець/вуглець (C/C), відомі своєю високою питомою міцністю, високим питомим модулем і відмінними термічними властивостями, що робить їх придатними для широкого спектру застосувань у високих температурах. . Ці матеріали широко використовуються в аерокосмічній галузі, хімічній інженерії та акумулюванні енергії. Однак їх сприйнятливість до окислення та корозії у високотемпературному середовищі разом із низькою стійкістю до подряпин обмежує їх подальше застосування.

З технологічним прогресом існуючі матеріали на основі вуглецю все більше не можуть задовольнити суворі вимоги екстремальних середовищ, зокрема щодо стійкості до окислення та корозії. Тому підвищення ефективності цих матеріалів стало ключовим напрямком досліджень.

Карбід танталу (TaC) — це матеріал із надзвичайно високою температурою плавлення (3880°C), чудовою високотемпературною механічною стабільністю та стійкістю до корозії. Він також демонструє хорошу хімічну сумісність з матеріалами на основі вуглецю.Покриття TaCможе значно підвищити стійкість до окислення та механічні властивості матеріалів на основі вуглецю, розширивши їх застосування в екстремальних середовищах.

Прогрес досліджень TaC покриттів на поверхнях матеріалів на основі вуглецю

1. Графітові підкладки

Переваги графіту:

Графіт широко використовується у високотемпературній металургії, енергетичних батареях і виробництві напівпровідників завдяки його стійкості до високих температур (температура плавлення близько 3850 °C), високій теплопровідності та чудовій стійкості до теплового удару. Однак графіт схильний до окислення та корозії розплавленими металами при високих температурах.

РольПокриття TaC:

Покриття TaC можуть значно покращити стійкість до окислення, стійкість до корозії та механічні властивості графіту, тим самим підвищуючи його потенціал для застосування в екстремальних умовах.

Методи покриття та ефекти:

(1) Плазмове напилення:

Дослідження: Trignan et al. використовували плазмове розпилення для осадження товщиною 150 мкмПокриття TaCна поверхні графіту, значно підвищуючи його стійкість до високих температур. Незважаючи на те, що покриття містило TaC0,85 і Ta2C після напилення, воно залишилося неушкодженим без тріщин після високотемпературної обробки при 2000°C.

(2) Хімічне осадження з парової фази (CVD):

Дослідження: Lv et al. використовували систему TaCl5-Ar-C3H6 для отримання багатофазного покриття C-TaC на графітових поверхнях методом CVD. Їхнє дослідження показало, що зі збільшенням вмісту вуглецю в покритті коефіцієнт тертя зменшувався, що свідчить про відмінну зносостійкість.

(3) Метод спікання шламу:

Дослідження: Shen et al. підготували суспензію з використанням TaCl5 і ацетилацетону, яку вони нанесли на графітові поверхні, а потім піддали високотемпературному спіканню. ОтриманийПокриття TaCчастинки мали розмір приблизно 1 мкм і продемонстрували хорошу хімічну стабільність і стабільність при високій температурі після обробки при 2000°C.

малюнок 1

На малюнку 1a представлено тигель із TaC, виготовлений за допомогою методу CVD, тоді як на малюнках 1b і 1c показано стан тигля в умовах епітаксійного росту MOCVD-GaN і сублімації AlN відповідно. Ці зображення демонструють, щоПокриття TaCне тільки демонструє відмінну стійкість до абляції при екстремальних температурах, але також зберігає високу структурну стабільність в умовах високих температур.

2. Підкладка з вуглецевого волокна

Характеристики вуглецевого волокна:

Вуглецеве волокно характеризується високою питомою міцністю та високим питомим модулем, а також відмінною електропровідністю, теплопровідністю, кислотною та лужною корозійною стійкістю та стійкістю до високих температур. Однак вуглецеве волокно має тенденцію втрачати ці чудові властивості у високотемпературних окисних середовищах.

РольПокриття TaC:

Депонування aПокриття TaCна поверхні вуглецевого волокна значно підвищує його стійкість до окислення та радіаційну стійкість, тим самим покращуючи його застосування в екстремально високих температурах.

Методи покриття та ефекти:

(1) Хімічна інфільтрація парів (CVI):

Дослідження: Chen et al. депонований аПокриття TaCна вуглецевому волокні методом CVI. Дослідження показало, що при температурах осадження 950-1000°C покриття TaC демонструвало щільну структуру та чудову стійкість до окислення за високих температур.

(2) Метод реакції на місці:

Дослідження: Лю та ін. виготовлені тканини TaC/PyC на бавовняних волокнах за допомогою методу реакції in situ. Ці тканини продемонстрували надзвичайно високу ефективність електромагнітного екранування (75,0 дБ), що значно перевершувало традиційні тканини PyC (24,4 дБ).

(3) Метод розплавленої солі:

Дослідження: Dong et al. підготовлений аПокриття TaCна поверхні вуглецевого волокна методом розплавленої солі. Результати показали, що це покриття значно підвищило стійкість вуглецевого волокна до окислення.

малюнок 2

Малюнок 2: На малюнку 2 показано SEM-зображення оригінальних вуглецевих волокон і вуглецевих волокон, покритих TaC, виготовлених за різних умов, а також криві термогравіметричного аналізу (TGA) за різних умов покриття.

Малюнок 2a: показано морфологію оригінальних вуглецевих волокон.

Рисунок 2b: показана морфологія поверхні покритих TaC вуглецевих волокон, виготовлених при 1000°C, з щільним і рівномірним розподілом покриття.

Рисунок 2c: Криві TGA показують, щоПокриття TaCзначно підвищує стійкість вуглецевих волокон до окислення, причому покриття, виготовлене при 1100°C, демонструє чудову стійкість до окислення.

3. Композитна матриця C/C

Характеристики C/C композитів:

C/C композити – це композити з вуглецевою матрицею, армовані вуглецевим волокном, відомі своїм високим питомим модулем і високою питомою міцністю, хорошою стійкістю до термічного удару та чудовою стійкістю до високотемпературної корозії. Вони в основному використовуються в аерокосмічній, автомобільній та промисловій промисловості. Однак C/C композити схильні до окислення у високотемпературних середовищах і мають низьку пластичність, що обмежує їх застосування при більш високих температурах.

РольПокриття TaC:

Підготовка aПокриття TaCна поверхні C/C композитів може значно покращити їх стійкість до абляції, стійкість до термічного удару та механічні властивості, розширюючи тим самим їх потенційне застосування в екстремальних умовах.

Методи покриття та ефекти:

(1) Метод плазмового розпилення:

Дослідження: Feng et al. підготував композитні покриття HfC-TaC на C/C композитах за допомогою методу надзвукового атмосферного плазмового напилення (SAPS). Ці покриття продемонстрували чудову стійкість до абляції при щільності теплового потоку полум’я 2,38 МВт/м², зі швидкістю масової абляції лише 0,35 мг/с і лінійною швидкістю абляції 1,05 мкм/с, що свідчить про виняткову стабільність при високих температурах.

(2) Золь-гель метод:

Дослідження: Він та ін. підготовленийПокриття TaCна C/C композитах золь-гель методом та спікали їх при різних температурах. Дослідження показало, що після спікання при 1600°C покриття показало найкращу стійкість до абляції, маючи суцільну та щільну шарувату структуру.

(3) Хімічне осадження з парової фази (CVD):

Дослідження: Ren et al. нанесено покриття Hf(Ta)C на C/C композити за допомогою системи HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar методом CVD. Експерименти показали, що покриття мало міцне зчеплення з підкладкою, і після 120 секунд полум’яної абляції швидкість масової абляції становила лише 0,97 мг/с із лінійною швидкістю абляції 1,32 мкм/с, демонструючи чудову стійкість до абляції.

малюнок 3

На малюнку 3 показано морфологію руйнування C/C композитів з багатошаровими PyC/SiC/TaC/PyC покриттями.

Рисунок 3a: відображає загальну морфологію руйнування покриття, де можна спостерігати міжшарову структуру покриттів.

Рисунок 3b: це збільшене зображення покриття, яке показує умови розділу між шарами.

Рисунок 3c: Порівнює міжфазну міцність на зсув і міцність на вигин двох різних матеріалів, що вказує на те, що структура багатошарового покриття значно покращує механічні властивості композитів C/C.

4. Покриття TaC на матеріалах на основі вуглецю, отримані методом CVD

Метод CVD може виробляти високочистий, щільний і однорідний матеріалПокриття TaCпри відносно низьких температурах, уникаючи дефектів і тріщин, які зазвичай спостерігаються в інших високотемпературних методах підготовки.

Вплив параметрів ССЗ:

(1) Швидкість потоку газу:

Регулюючи швидкість потоку газу під час процесу CVD, можна ефективно контролювати морфологію поверхні та хімічний склад покриття. Наприклад, Zhang et al. вивчав вплив швидкості потоку газу Ar наПокриття TaCріст і виявив, що збільшення швидкості потоку Ar уповільнює ріст зерен, що призводить до менших і більш однорідних зерен.

(2) Температура осадження:

Температура осадження істотно впливає на морфологію поверхні та хімічний склад покриття. Як правило, більш високі температури осадження прискорюють швидкість осадження, але також можуть збільшити внутрішню напругу, що призводить до утворення тріщин. Чен та ін. виявив, щоПокриття TaCотримані при 800°C, містили невелику кількість вільного вуглецю, тоді як при 1000°C покриття складалися переважно з кристалів TaC.

(3) Deposition Pressure:

Тиск осадження в першу чергу впливає на розмір зерна та швидкість осадження покриття. Дослідження показують, що зі збільшенням тиску осадження швидкість осадження значно покращується, а розмір зерен збільшується, хоча кристалічна структура покриття залишається в основному незмінною.

малюнок 4

малюнок 5

На рисунках 4 і 5 показано вплив швидкості потоку H2 і температури осадження на склад і розмір зерна покриттів.

Рисунок 4: показує вплив різних швидкостей потоку H2 на складПокриття TaCпри 850°C і 950°C. Коли швидкість потоку H2 становить 100 мл/хв, покриття в основному складається з TaC з невеликою кількістю Ta2C. При більш високих температурах додавання H2 призводить до менших і однорідніших частинок.

Рисунок 5: демонструє зміни морфології поверхні та розміру зернаПокриття TaCпри різних температурах осадження. З підвищенням температури розмір зерен поступово зростає, переходячи від сферичних зерен до багатогранних.

Тенденції розвитку

Поточні виклики:

ХочаПокриття TaCзначно підвищити продуктивність матеріалів на основі вуглецю, велика різниця в коефіцієнтах теплового розширення між TaC і вуглецевою підкладкою може призвести до тріщин і відколів під дією високих температур. Додатково єдинийПокриття TaCза певних екстремальних умов все ще може не відповідати вимогам програми.

рішення:

(1) Системи композитних покриттів:

Для закладення тріщин в одному покритті можна використовувати багатошарові композитні системи покриттів. Наприклад, Feng et al. підготували покриття з чергуванням HfC-TaC/HfC-SiC на C/C композитах за допомогою методу SAPS, які показали чудову стійкість до абляції за високих температур.

(2) Системи покриттів, що зміцнюють твердий розчин:

HfC, ZrC і TaC мають однакову гранецентровану кубічну кристалічну структуру і можуть утворювати тверді розчини один з одним для підвищення стійкості до абляції. Наприклад, Wang et al. приготували покриття Hf(Ta)C за допомогою методу CVD, які продемонстрували чудову стійкість до абляції в умовах високої температури.

(3) Системи градієнтного покриття:

Градієнтні покриття підвищують загальну продуктивність, забезпечуючи безперервний градієнтний розподіл композиції покриття, що зменшує внутрішню напругу та невідповідності в коефіцієнтах теплового розширення. Лі та ін. підготовлені градієнтні покриття TaC/SiC, які продемонстрували чудову стійкість до термічного удару під час випробувань на полум’яну абляцію при 2300°C, без спостережуваних тріщин чи розколювання.

Малюнок 6

Рисунок 6 ілюструє стійкість до абляції композитних покриттів з різною структурою. На малюнку 6b показано, що структури покриття, що чергуються, зменшують тріщини при високих температурах, демонструючи оптимальну стійкість до абляції. Навпаки, малюнок 6c вказує на те, що багатошарові покриття схильні до розколювання при високих температурах через наявність кількох поверхонь розділу.

Висновок і прогноз

У цій статті систематизовано узагальнено результати дослідженьПокриття TaCна графіті, вуглецевому волокні та композитах C/C обговорює вплив параметрів CVD наПокриття TaCефективності та аналіз поточних проблем.

Щоб відповідати вимогам застосування матеріалів на основі вуглецю в екстремальних умовах, необхідні подальші покращення стійкості до абляції, стійкості до окислення та високотемпературної механічної стабільності покриттів TaC. Крім того, майбутні дослідження мають заглибитись у ключові питання підготовки покриттів CVD TaC, сприяючи прогресу в комерційному застосуванніПокриття TaC.**

---

Ми в Semicorex спеціалізуємося на SiC/Вироби з графіту з покриттям TaCі технологія CVD SiC, що застосовується у виробництві напівпровідників, якщо у вас є запитання або вам потрібні додаткові відомості, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами.

Контактний телефон: +86-13567891907

Електронна адреса: sales@semicorex.com