कार्बन-आधारित सामग्री सतहहरूमा TaC कोटिंग्सको अनुसन्धान प्रगति

अनुसन्धान पृष्ठभूमि

कार्बन-आधारित सामग्रीहरू जस्तै ग्रेफाइट, कार्बन फाइबर, र कार्बन/कार्बन (C/C) कम्पोजिटहरू तिनीहरूको उच्च विशिष्ट शक्ति, उच्च विशिष्ट मोडुलस, र उत्कृष्ट थर्मल गुणहरूका लागि परिचित छन्, जसले तिनीहरूलाई उच्च-तापमान अनुप्रयोगहरूको विस्तृत दायराको लागि उपयुक्त बनाउँछ। । यी सामग्रीहरू एयरोस्पेस, केमिकल इन्जिनियरिङ र ऊर्जा भण्डारणमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। यद्यपि, खराब स्क्र्याच प्रतिरोधको साथ, उच्च-तापमान वातावरणमा अक्सीकरण र जंगको लागि तिनीहरूको संवेदनशीलताले तिनीहरूको थप अनुप्रयोगलाई प्रतिबन्धित गर्दछ।

प्राविधिक विकासको साथ, अवस्थित कार्बन-आधारित सामग्रीहरू चरम वातावरणको कडा मागहरू पूरा गर्न असक्षम छन्, विशेष गरी अक्सीकरण र जंग प्रतिरोधको सन्दर्भमा। तसर्थ, यी सामग्रीहरूको प्रदर्शन बृद्धि गर्नु प्रमुख अनुसन्धान दिशा भएको छ।

ट्यान्टालम कार्बाइड (TaC) एक अत्यन्त उच्च पिघलने बिन्दु (3880°C), उत्कृष्ट उच्च-तापमान मेकानिकल स्थिरता, र जंग प्रतिरोध भएको सामग्री हो। यसले कार्बन-आधारित सामग्रीहरूसँग राम्रो रासायनिक अनुकूलता पनि प्रदर्शन गर्दछ।TaC कोटिंग्सकार्बन-आधारित सामग्रीहरूको अक्सीकरण प्रतिरोध र मेकानिकल गुणहरूलाई उल्लेखनीय रूपमा बृद्धि गर्न सक्छ, चरम वातावरणमा तिनीहरूको उपयोगिता विस्तार गर्न।

कार्बन-आधारित सामग्री सतहहरूमा TaC कोटिंग्सको अनुसन्धान प्रगति

1. ग्रेफाइट सब्सट्रेट्स

ग्रेफाइटका फाइदाहरू:

ग्रेफाइट यसको उच्च-तापमान सहनशीलता (३८५० डिग्री सेल्सियस वरिपरि पिघलने बिन्दु), उच्च थर्मल चालकता, र उत्कृष्ट थर्मल झटका प्रतिरोधका कारण उच्च-तापमान धातु विज्ञान, ऊर्जा ब्याट्रीहरू, र अर्धचालक निर्माणमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। यद्यपि, ग्रेफाइट उच्च तापक्रममा पग्लिएको धातुहरूद्वारा अक्सीकरण र क्षरणको जोखिममा छ।

को भूमिकाTaC कोटिंग्स:

TaC कोटिंग्सले अक्सीकरण प्रतिरोध, जंग प्रतिरोध, र ग्रेफाइटको मेकानिकल गुणहरूमा उल्लेखनीय सुधार गर्न सक्छ, जसले गर्दा चरम वातावरणमा अनुप्रयोगहरूको लागि यसको सम्भावना बढाउँछ।

कोटिंग विधि र प्रभावहरू:

(१) प्लाज्मा स्प्रेिङ:

अनुसन्धान: ट्रिगनन एट अल। 150 µm बाक्लो जम्मा गर्न प्लाज्मा स्प्रे प्रयोग गरियोTaC कोटिंगग्रेफाइटको सतहमा, महत्त्वपूर्ण रूपमा यसको उच्च-तापमान सहनशीलता बढाउँदै। यद्यपि कोटिंगमा TaC0.85 र Ta2C पोस्ट-स्प्रेइङ समावेश थियो, तर यो 2000 डिग्री सेल्सियसमा उच्च-तापमान उपचार पछि क्र्याक नगरी अक्षुण्ण रह्यो।

(२) रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD):

अनुसन्धान: Lv et al। CVD विधि प्रयोग गरेर ग्रेफाइट सतहहरूमा C-TaC मल्टिफेज कोटिंग तयार गर्न TaCl5-Ar-C3H6 प्रणाली प्रयोग गर्‍यो। तिनीहरूको अध्ययनले पत्ता लगायो कि कोटिंगमा कार्बन सामग्री बढ्दै जाँदा, घर्षण गुणांक घट्यो, उत्कृष्ट पहिरन प्रतिरोधलाई संकेत गर्दछ।

(३) स्लरी सिंटरिङ विधि:

अनुसन्धान: शेन एट अल। TaCl5 र acetylacetone को प्रयोग गरेर एक स्लरी तयार गर्यो, जुन तिनीहरूले ग्रेफाइट सतहहरूमा लागू गरे र त्यसपछि उच्च-तापमान सिंटरिङको अधीनमा। नतिजाTaC कोटिंगकणहरू आकारमा लगभग 1 µm थिए र 2000 डिग्री सेल्सियसमा उपचार पछि राम्रो रासायनिक स्थिरता र उच्च-तापमान स्थिरता प्रदर्शन गरे।

चित्र १

चित्र 1a ले CVD विधि मार्फत तयार गरिएको TaC क्रुसिबल प्रस्तुत गर्दछ, जबकि चित्र 1b र 1c क्रमशः MOCVD-GaN एपिटेक्सियल वृद्धि र AlN सबलिमेशन वृद्धि अवस्था अन्तर्गत क्रूसिबलको अवस्था चित्रण गर्दछ। यी चित्रहरूले देखाउँछन् किTaC कोटिंगचरम तापमानमा उत्कृष्ट पृथक प्रतिरोध प्रदर्शन मात्र गर्दैन तर उच्च-तापमान अवस्थाहरूमा उच्च संरचनात्मक स्थिरता पनि कायम राख्छ।

2. कार्बन फाइबर सब्सट्रेट

कार्बन फाइबर को विशेषताहरु:

कार्बन फाइबर यसको उच्च विशिष्ट शक्ति र उच्च विशिष्ट मोडुलस, उत्कृष्ट विद्युत चालकता, थर्मल चालकता, एसिड र क्षार क्षरण प्रतिरोध, र उच्च-तापमान स्थिरता संग विशेषता हो। यद्यपि, कार्बन फाइबरले उच्च-तापमान अक्सिडेटिभ वातावरणमा यी उत्कृष्ट गुणहरू गुमाउने गर्छ।

को भूमिकाTaC कोटिंग:

जम्मा गर्दै कTaC कोटिंगकार्बन फाइबरको सतहमा यसले यसको अक्सीकरण प्रतिरोध र विकिरण प्रतिरोधलाई उल्लेखनीय रूपमा बढाउँछ, जसले गर्दा चरम उच्च-तापमान वातावरणमा यसको उपयोगितामा सुधार हुन्छ।

कोटिंग विधि र प्रभावहरू:

(1) रासायनिक वाष्प घुसपैठ (CVI):

अनुसन्धान: चेन एट अल। जम्मा गरेको एTaC कोटिंगCVI विधि प्रयोग गरेर कार्बन फाइबरमा। अध्ययनले पत्ता लगायो कि 950-1000 डिग्री सेल्सियसको जम्मा तापक्रममा, TaC कोटिंगले उच्च तापमानमा घना संरचना र उत्कृष्ट अक्सीकरण प्रतिरोध प्रदर्शन गर्‍यो।

(२) सिटू प्रतिक्रिया विधिमा:

अनुसन्धान: लिउ एट अल। इन सिटु प्रतिक्रिया विधि प्रयोग गरी कपासका फाइबरहरूमा TaC/PyC कपडाहरू तयार पार्नुहोस्। यी कपडाहरूले अत्यन्त उच्च विद्युत चुम्बकीय ढाल प्रभावकारिता (75.0 dB) प्रदर्शन गर्‍यो, जुन परम्परागत PyC कपडाहरू (24.4 dB) भन्दा उल्लेखनीय रूपमा उच्च थियो।

(३) पग्लिएको नुन विधि:

अनुसन्धान: डोंग एट अल। तयार aTaC कोटिंगपग्लिएको नुन विधि प्रयोग गरेर कार्बन फाइबरको सतहमा। परिणामहरूले देखाए कि यो कोटिंगले कार्बन फाइबरको अक्सीकरण प्रतिरोधलाई उल्लेखनीय रूपमा बढाएको छ।

चित्र २

चित्र २: चित्र २ ले विभिन्न अवस्थाहरूमा थर्मोग्राभिमेट्रिक विश्लेषण (TGA) वक्रहरू सहित विभिन्न परिस्थितिहरूमा तयार पारिएको मूल कार्बन फाइबर र TaC-लेपित कार्बन फाइबरहरूको SEM छविहरू देखाउँछ।

चित्र 2a: मूल कार्बन फाइबरको आकारविज्ञान देखाउँछ।

चित्र 2b: 1000°C मा तयार गरिएको TaC-लेपित कार्बन फाइबरको सतह आकारविज्ञान देखाउँछ, कोटिंग बाक्लो र समान रूपमा वितरित भएको छ।

चित्र 2c: TGA वक्रहरूले संकेत गर्दछ किTaC कोटिंगउल्लेखनीय रूपमा कार्बन फाइबरको अक्सीकरण प्रतिरोधलाई बढाउँछ, 1100°C मा तयार गरिएको कोटिंगले उत्कृष्ट अक्सीकरण प्रतिरोध देखाउँछ।

3. C/C कम्पोजिट म्याट्रिक्स

C/C कम्पोजिटका विशेषताहरू:

C/C कम्पोजिटहरू कार्बन फाइबर-प्रबलित कार्बन म्याट्रिक्स कम्पोजिटहरू हुन्, जुन तिनीहरूको उच्च विशिष्ट मोड्युलस र उच्च विशिष्ट शक्ति, राम्रो थर्मल झटका स्थिरता, र उत्कृष्ट उच्च-तापमान जंग प्रतिरोधको लागि परिचित छ। तिनीहरू मुख्य रूपमा एयरोस्पेस, मोटर वाहन, र औद्योगिक उत्पादन क्षेत्रहरूमा प्रयोग गरिन्छ। यद्यपि, C/C कम्पोजिटहरू उच्च-तापमान वातावरणमा अक्सीकरणको खतरामा हुन्छन् र कमजोर प्लास्टिसिटी हुन्छ, जसले उच्च तापक्रममा तिनीहरूको अनुप्रयोगलाई सीमित गर्दछ।

को भूमिकाTaC कोटिंग:

तयारी गर्दै एTaC कोटिंगC/C कम्पोजिटहरूको सतहमा तिनीहरूको पृथक प्रतिरोध, थर्मल झटका स्थिरता, र मेकानिकल गुणहरूलाई उल्लेखनीय रूपमा सुधार गर्न सक्छ, जसले गर्दा चरम परिस्थितिहरूमा तिनीहरूको सम्भावित अनुप्रयोगहरू विस्तार गर्न सकिन्छ।

कोटिंग विधि र प्रभावहरू:

(१) प्लाज्मा स्प्रे गर्ने विधि:

अनुसन्धान: फेंग एट अल। सुपरसोनिक वायुमण्डलीय प्लाज्मा स्प्रेइङ (SAPS) विधि प्रयोग गरी C/C कम्पोजिटहरूमा HfC-TaC कम्पोजिट कोटिंग्स तयार गरियो। यी कोटिंग्सले 2.38 MW/m² को ज्वाला ताप प्रवाह घनत्व अन्तर्गत उत्कृष्ट पृथक प्रतिरोध प्रदर्शन गर्‍यो, केवल 0.35 mg/s को मास पृथक दर र 1.05 µm/s को रैखिक पृथक दर, उच्च तापक्रममा उत्कृष्ट स्थिरता संकेत गर्दछ।

(२) सोल-जेल विधि:

अनुसन्धान: उहाँ एट अल। तयारTaC कोटिंग्ससोल-जेल विधि प्रयोग गरेर C/C कम्पोजिटहरूमा र तिनीहरूलाई विभिन्न तापक्रममा सिन्टर गरिएको। अध्ययनले पत्ता लगायो कि 1600 डिग्री सेल्सियसमा सिन्टरिङ गरेपछि, कोटिंगले निरन्तर र बाक्लो तहको संरचनाको साथ उत्कृष्ट पृथक प्रतिरोध प्रदर्शन गर्यो।

(३) रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD):

अनुसन्धान: रेन एट अल। CVD विधि मार्फत HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar प्रणाली प्रयोग गरी C/C कम्पोजिटहरूमा Hf(Ta)C कोटिंगहरू जम्मा गरियो। प्रयोगहरूले देखाए कि कोटिंगको सब्सट्रेटमा बलियो आसंजन थियो, र 120 सेकेन्डको ज्वाला पृथकता पछि, मास पृथक दर मात्र 0.97 mg/s थियो र 1.32 µm/s को रैखिक पृथक दरको साथ, उत्कृष्ट पृथक प्रतिरोध प्रदर्शन गर्दछ।

चित्र ३

चित्र ३ ले मल्टिलेयर PyC/SiC/TaC/PyC कोटिंग्सको साथ C/C कम्पोजिटको फ्र्याक्चर मोर्फोलजी देखाउँछ।

चित्र 3a: कोटिंगको समग्र फ्र्याक्चर आकारविज्ञान देखाउँछ, जहाँ कोटिंग्सको इन्टरलेयर संरचना अवलोकन गर्न सकिन्छ।

चित्र 3b: लेयरहरू बीचको इन्टरफेस अवस्थाहरू देखाउँदै कोटिंगको ठूलो छवि हो।

चित्र 3c: इन्टरफेसियल कतरनी बल र दुई फरक सामग्रीको लचक बल तुलना गर्दछ, बहुलेयर कोटिंग संरचनाले C/C कम्पोजिटहरूको मेकानिकल गुणहरूलाई उल्लेखनीय रूपमा बढाउँछ भनेर संकेत गर्दछ।

4. CVD द्वारा तयार कार्बन-आधारित सामग्रीहरूमा TaC कोटिंग्स

CVD विधिले उच्च शुद्धता, घना र एकसमान उत्पादन गर्न सक्छTaC कोटिंग्सअपेक्षाकृत कम तापक्रममा, अन्य उच्च-तापमान तयारी विधिहरूमा सामान्यतया देखिने त्रुटिहरू र दरारहरू बेवास्ता गर्दै।

CVD प्यारामिटरहरूको प्रभाव:

(१) ग्यास प्रवाह दर:

CVD प्रक्रियाको समयमा ग्यास प्रवाह दर समायोजन गरेर, सतह आकार विज्ञान र कोटिंगको रासायनिक संरचनालाई प्रभावकारी रूपमा नियन्त्रण गर्न सकिन्छ। उदाहरण को लागी, Zhang et al। Ar ग्यास प्रवाह दर को प्रभाव को अध्ययनTaC कोटिंगवृद्धि र पत्ता लगायो कि एआर प्रवाह दर बढ्दा अनाजको बृद्धि सुस्त हुन्छ, जसको परिणामस्वरूप साना र अधिक समान अन्न हुन्छ।

(२) निक्षेप तापक्रम:

डिपोजिसन तापमानले सतहको आकार विज्ञान र कोटिंगको रासायनिक संरचनालाई महत्त्वपूर्ण असर गर्छ। सामान्यतया, उच्च निक्षेप तापक्रमले निक्षेपको दरलाई गति दिन्छ तर यसले आन्तरिक तनावलाई पनि बढाउन सक्छ, जसले दरारहरू बन्न सक्छ। चेन एट अल। त्यो भेटियोTaC कोटिंग्स800°C मा तयार गरिएकोमा थोरै मात्रामा नि:शुल्क कार्बन हुन्छ, जबकि 1000°C मा, कोटिंग्समा मुख्यतया TaC क्रिस्टलहरू हुन्छन्।

(३) निक्षेप दबाव:

डिपोजिसन दबाबले मुख्य रूपमा कोटिंगको दानाको आकार र जम्मा दरलाई असर गर्छ। अध्ययनहरूले देखाउँछ कि निक्षेपको दबाब बढ्दै जाँदा, निक्षेप दर उल्लेखनीय रूपमा सुधार हुन्छ, र अन्नको आकार बढ्छ, यद्यपि कोटिंगको क्रिस्टल संरचना ठूलो मात्रामा अपरिवर्तित रहन्छ।

चित्र ४

चित्र ५

चित्र 4 र 5 ले कोटिंग्सको संरचना र अन्नको आकारमा H2 प्रवाह दर र निक्षेप तापमानको प्रभावहरू चित्रण गर्दछ।

चित्र 4: को संरचना मा विभिन्न H2 प्रवाह दर को प्रभाव देखाउँछTaC कोटिंग्स850°C र 950°C मा। जब H2 प्रवाह दर 100 mL/min हुन्छ, कोटिंगमा मुख्यतया Ta2C को सानो मात्राको साथ TaC समावेश हुन्छ। उच्च तापक्रममा, H2 थप्दा साना र अधिक समान कणहरू हुन्छन्।

चित्र 5: सतह आकार विज्ञान र अन्न को आकार मा परिवर्तन देखाउँछTaC कोटिंग्सविभिन्न जम्मा तापमान मा। तापक्रम बढ्दै जाँदा, दानाको आकार बिस्तारै बढ्दै जान्छ, गोलाकारबाट बहुहेड्रल दानामा परिवर्तन हुन्छ।

विकास प्रवृत्तिहरू

वर्तमान चुनौतिहरु:

यद्यपिTaC कोटिंग्सकार्बन-आधारित सामग्रीको कार्यसम्पादनमा उल्लेखनीय रूपमा वृद्धि गर्दछ, TaC र कार्बन सब्सट्रेट बीचको थर्मल विस्तार गुणांकमा ठूलो भिन्नताले उच्च तापमानमा दरार र स्प्यालिंग निम्त्याउन सक्छ। थप रूपमा, एकलTaC कोटिंगकेहि चरम परिस्थितिहरूमा आवेदन आवश्यकताहरू पूरा गर्न अझै पनि कम हुन सक्छ।

समाधानहरू:

(१) कम्पोजिट कोटिंग सिस्टम:

एकल कोटिंगमा दरारहरू सील गर्न, बहु-तह कम्पोजिट कोटिंग प्रणालीहरू प्रयोग गर्न सकिन्छ। उदाहरणका लागि, फेंग एट अल। SAPS विधि प्रयोग गरेर C/C कम्पोजिटहरूमा वैकल्पिक HfC-TaC/HfC-SiC कोटिंग्स तयार गरियो, जसले उच्च तापक्रममा उच्च पृथक प्रतिरोध देखाउँदछ।

(२) ठोस समाधान बलियो बनाउने कोटिंग प्रणालीहरू:

HfC, ZrC, र TaC सँग एउटै अनुहार-केन्द्रित घन क्रिस्टल संरचना छ र एब्लेशन प्रतिरोध बढाउन एक अर्कासँग ठोस समाधानहरू बनाउन सक्छ। उदाहरणका लागि, वांग एट अल। CVD विधि प्रयोग गरी Hf(Ta)C कोटिंग्स तयार गरियो, जसले उच्च-तापमान अवस्थाहरूमा उत्कृष्ट पृथक प्रतिरोध प्रदर्शन गर्‍यो।

(३) ग्रेडियन्ट कोटिंग सिस्टम:

ग्रेडियन्ट कोटिंग्सले कोटिंग कम्पोजिसनको निरन्तर ढाँचा वितरण प्रदान गरेर समग्र कार्यसम्पादन बढाउँछ, जसले आन्तरिक तनाव र थर्मल विस्तार गुणांकहरूमा बेमेलहरू कम गर्दछ। लि एट अल। तयार TaC/SiC ग्रेडियन्ट कोटिंग्स जसले 2300°C मा ज्वाला पृथक परीक्षणको क्रममा उत्कृष्ट थर्मल झटका प्रतिरोध प्रदर्शन गर्‍यो, कुनै पनि क्र्याकिंग वा स्प्यालिंग बिना।

चित्र 6

चित्र 6 ले विभिन्न संरचनाहरूसँग मिश्रित कोटिंग्सको पृथक प्रतिरोधलाई चित्रण गर्दछ। चित्र 6b ले देखाउँछ कि वैकल्पिक कोटिंग संरचनाहरूले उच्च तापमानमा दरारहरू कम गर्दछ, इष्टतम पृथक प्रतिरोध प्रदर्शन गर्दछ। यसको विपरित, चित्र 6c ले संकेत गर्दछ कि बहुपरत कोटिंग्स धेरै इन्टरफेसहरूको उपस्थितिको कारणले उच्च तापमानमा स्प्यालिङको खतरा हुन्छ।

निष्कर्ष र आउटलुक

यस पेपरले अनुसन्धानको प्रगतिलाई व्यवस्थित रूपमा संक्षेप गर्दछTaC कोटिंग्सग्रेफाइट, कार्बन फाइबर, र C/C कम्पोजिटहरूमा, CVD मापदण्डहरूको प्रभावको बारेमा छलफल गर्दछ।TaC कोटिंगप्रदर्शन, र वर्तमान मुद्दाहरूको विश्लेषण।

चरम परिस्थितिहरूमा कार्बन-आधारित सामग्रीहरूको आवेदन आवश्यकताहरू पूरा गर्न, पृथक प्रतिरोध, अक्सीकरण प्रतिरोध, र TaC कोटिंग्सको उच्च-तापमान मेकानिकल स्थिरतामा थप सुधारहरू आवश्यक छ। थप रूपमा, भविष्यको अनुसन्धानले CVD TaC कोटिंग्सको तयारीमा मुख्य मुद्दाहरूको खोजी गर्नुपर्दछ, व्यावसायिक अनुप्रयोगमा प्रगतिलाई बढावा दिँदै।TaC कोटिंग्स.**

---

हामी Semicorex मा SiC/ मा विशेषज्ञ छौंTaC लेपित ग्रेफाइट उत्पादनहरूर CVD SiC टेक्नोलोजी सेमीकन्डक्टर निर्माणमा लागू गरिएको छ, यदि तपाइँसँग कुनै जिज्ञासा छ वा थप विवरणहरू चाहिन्छ भने, कृपया हामीलाई सम्पर्क गर्न नहिचकिचाउनुहोस्।

सम्पर्क फोन: +86-13567891907

इमेल: sales@semicorex.com