Піролітичне карбонове покриття - карбонова броня, вирощена з газу

Піролітичний вуглець, іноді званий піролітичним графітом, є метастабільним матеріалом, що є проміжним між графітом і аморфним вуглецем, утвореним процесом хімічного осадження з парової фази вуглецевмісних газів (переважно вуглеводневих газів) при високих температурах на поверхні підкладки. (Термодинамічно графіт є твердим вуглецевим матеріалом з найменшою вільною енергією Гіббса.)

01 Піролітичне вуглецеве та хімічне осадження з парової фази

Процес утворення твердого покриття за допомогою хімічної реакції вихідних сполук за певних умов процесу та осадження їх на поверхню підкладки, що покривається, називається хімічним осадженням з парової фази. Схематична діаграма основних етапів процесу хімічного осадження з парової фази показана нижче:

(1) Прекурсор потрапляє в зону реакції;

(2) Попередник піддається газофазній реакції з утворенням проміжних продуктів;

a. Коли температура в реакційній зоні висока або в області, віддаленій від субстрату осадження, проміжні продукти продовжують проходити газофазну реакцію, утворюючи твердий порошок і летючі побічні продукти в газовій фазі. a. Твердий порошок, розсипаний на поверхні субстрату для осадження, може стати центром зародження для поверхневого осадження, а леткі побічні продукти дифундують із зони реакції;

b. При низькій температурі в зоні реакції або в області, наближеній до підкладки осадження, проміжні продукти дифундують на поверхні підкладки, і відбуваються такі етапи:

(3) Проміжні продукти адсорбуються на поверхні підкладки, зазнаючи гетерогенної реакції з утворенням активних продуктів осадження та побічних продуктів;

(4) Активні продукти осадження дифундують на поверхні субстрату осадження, накопичуючись, утворюючи суцільне покриття;

(5) Побічні продукти газової фази залишають область поблизу субстрату для осадження;

(6) Непрореаговані вихідні гази та побічні продукти реакції залишають зону реакції.

Утворення піролітичного вуглецю є незворотним процесом зменшення ентропії, під час якого атоми вуглецю змінюють порядок із стану впорядкованості та з газоподібного стану в твердий стан за високих температур. Він регулюється основним напрямком хімічної термодинаміки, але зберігає нерівноважну мікроструктуру через кінетичні шляхи. Глибоке розуміння цього процесу не тільки закладає матеріальну основу для вуглець-вуглецевих композитів, високотемпературних покриттів і оболонок ядерного палива, але й забезпечує подвійну парадигму експериментальних і теоретичних основ існування вуглецю в екстремальних умовах.

02 Процес приготування та застосування піролітичного вугілля

Піролітичний вуглець отримують шляхом високотемпературного піролізу вуглеводнів у безкисневому середовищі при 1200-1400 ℃. Використовується реактор з вертикальним киплячим шаром, і процес включає наступні етапи: інертний газ (азот або гелій) вводиться з дна реакційної труби для псевдозрідження тугоплавких частинок; зовнішня індукційна котушка нагріває вміст реакційної трубки; і вуглеводневі гази додаються для ініціювання реакції піролізу.

Піролітичний вуглець в основному використовується як високотемпературне захисне покриття для серцевих клапанів, покриттів біоматеріалів і захисних покриттів для паливних сфер ядерних реакторів, і широко застосовується в захисті теплового поля, використанні ядерної енергії та біомедицині.

03 Високотемпературне захисне покриття для піролітичного вуглецю

Кремній, як найпоширеніший напівпровідниковий матеріал, широко використовується в електроніці та фотоелектричній техніці, особливо в кристалічному кремнії для сонячних елементів, де його висока ефективність фотоелектричного перетворення робить його основним компонентом. Метод Чохральського в основному використовується для отримання монокристалічного кремнію. Цей метод із його високою ефективністю виробництва, контрольованим процесом росту та перевагами контролю легування широко використовується у виробництві монокристалічного кремнію як усередині країни, так і за кордоном. Однак із збільшенням розміру кристала вартість теплового поля графіту також поступово зростає. Особливо в середовищі парів кремнію графітові компоненти схильні до корозії, що призводить до скорочення терміну служби обладнання. Щоб вирішити ці проблеми, дослідники розробили корозійно-стійкі покриття для вуглецевих матеріалів, таких як піролітичний вуглець (PyC), карбід кремнію (SiC) і карбід танталу (TaC), щоб збільшити термін служби вуглецевих матеріалів у високотемпературних корозійних середовищах.

Cao вивчав силіцидну корозію графіту G330 і композитів AC200C/C, що використовуються в монокристалічних кремнієвих печах. Вони прийшли до висновку, що відкриті пори, що простягаються від внутрішньої частини графіту до поверхні, забезпечують канали для ерозії та дифузії розплавленого кремнію, прискорюючи силіцидний процес у вуглецевих матеріалах.

Чжао наніс піролітичне вуглецеве (PyC) покриття на поверхню графіту за допомогою хімічного осадження з парової фази. Отримане покриття PyC повністю покривало графітову підкладку та мало щільну структуру без значної пористості або проникаючих мікротріщин. Після обробки графітового матеріалу з покриттям у середовищі травлення парів кремнію при 1600 ℃ протягом 2 годин морфологія поперечного перерізу покриття та результати тесту EDX показані на малюнку нижче. На малюнку a показано, що навіть після травлення кремнію покриття залишається щільно приклеєним до поверхні підкладки без явних тріщин. Елементний розподіл вуглецю та кремнію на поверхні майже не демонструє розподілу кремнію під покриттям PyC, що вказує на його чудову захисну дію на графітову підкладку.

Малюнок - Морфологія поперечного перерізу графіту з покриттям PyC після травлення кремнію

Semicorex постачає високоякісні компоненти покриття TyC/SiC/TaC, які застосовуються в напівпровідниках. Щоб отримати індивідуальні рішення або отримати додаткову технічну інформацію, зв’яжіться з нашою командою інженерів.

Телефон: +86-13567891907

Електронна адреса: sales@semicorex.com