Напредак истраживања ТаЦ премаза на површинама материјала на бази угљеника

Позадина истраживања

Материјали на бази угљеника као што су графит, угљенична влакна и композити угљеник/угљеник (Ц/Ц) познати су по својој високој специфичној чврстоћи, високом специфичном модулу и одличним термичким својствима, што их чини погодним за широк спектар примена на високим температурама. . Ови материјали се широко користе у ваздухопловству, хемијском инжењерству и складиштењу енергије. Међутим, њихова подложност оксидацији и корозији у окружењима са високим температурама, заједно са слабом отпорношћу на гребање, ограничава њихову даљу примену.

Са технолошким напретком, постојећи материјали на бази угљеника све више нису у стању да задовоље строге захтеве екстремних окружења, посебно у погледу отпорности на оксидацију и корозију. Стога је побољшање перформанси ових материјала постало кључни правац истраживања.

Тантал карбид (ТаЦ) је материјал са изузетно високом тачком топљења (3880°Ц), одличном механичком стабилношћу при високим температурама и отпорношћу на корозију. Такође показује добру хемијску компатибилност са материјалима на бази угљеника.ТаЦ премазиможе значајно побољшати отпорност на оксидацију и механичка својства материјала на бази угљеника, проширујући њихову примену у екстремним окружењима.

Напредак истраживања ТаЦ премаза на површинама материјала на бази угљеника

1. Графитне подлоге

Предности графита:

Графит се широко користи у високотемпературној металургији, енергетским батеријама и производњи полупроводника због своје толеранције на високе температуре (тачка топљења око 3850°Ц), високе топлотне проводљивости и одличне отпорности на топлотни удар. Међутим, графит је склон оксидацији и корозији растопљеним металима на високим температурама.

Улога одТаЦ Цоатингс:

ТаЦ премази могу значајно побољшати отпорност на оксидацију, отпорност на корозију и механичка својства графита, чиме се повећава његов потенцијал за примену у екстремним окружењима.

Методе и ефекти премаза:

(1) Плазма прскање:

Истраживање: Тригнан ет ал. користио је распршивање плазме за наношење дебљине 150 µмТаЦ премазна површини графита, значајно повећавајући његову толеранцију на високе температуре. Иако је премаз садржао ТаЦ0.85 и Та2Ц након прскања, остао је нетакнут без пуцања након третмана на високој температури на 2000°Ц.

(2) Хемијско таложење паре (ЦВД):

Истраживања: Лв ет ал. користио систем ТаЦл5-Ар-Ц3Х6 за припрему Ц-ТаЦ вишефазног премаза на графитним површинама коришћењем ЦВД методе. Њихова студија је открила да како се садржај угљеника у премазу повећао, коефицијент трења се смањио, што указује на одличну отпорност на хабање.

(3) Метода синтеровања суспензије:

Истраживање: Схен ет ал. припремили су суспензију коришћењем ТаЦл5 и ацетилацетона, коју су нанели на графитне површине и затим подвргнути високотемпературном синтеровању. ДобијениТаЦ премазчестице су биле величине приближно 1 µм и показале су добру хемијску стабилност и стабилност на високим температурама након третмана на 2000°Ц.

Слика 1

Слика 1а приказује ТаЦ лончић припремљен ЦВД методом, док слике 1б и 1ц илуструју стање лончића у условима МОЦВД-ГаН епитаксијалног раста и АлН сублимационог раста, респективно. Ове слике показују да јеТаЦ премазне само да показује одличну отпорност на аблацију на екстремним температурама, већ такође одржава високу структурну стабилност у условима високе температуре.

2. Подлога од угљеничних влакана

Карактеристике карбонских влакана:

Карбонска влакна се одликују својом високом специфичном чврстоћом и високим специфичним модулом, заједно са одличном електричном проводљивошћу, топлотном проводљивошћу, отпорношћу на киселу и алкалну корозију и стабилношћу на високим температурама. Међутим, угљенична влакна имају тенденцију да изгубе ова супериорна својства у високотемпературним оксидативним срединама.

Улога одТаЦ Цоатинг:

Депоновање аТаЦ премазна површини угљеничних влакана значајно повећава његову отпорност на оксидацију и отпорност на зрачење, чиме се побољшава његова применљивост у екстремно високим температурама.

Методе и ефекти премаза:

(1) Инфилтрација хемијске паре (ЦВИ):

Истраживање: Цхен ет ал. депоновао аТаЦ премазна карбонска влакна методом ЦВИ. Студија је открила да на температурама таложења од 950-1000°Ц, ТаЦ премаз показује густу структуру и одличну отпорност на оксидацију на високим температурама.

(2) Метода реакције ин ситу:

Истраживање: Лиу ет ал. припремљене ТаЦ/ПиЦ тканине на памучним влакнима методом реакције ин ситу. Ове тканине су показале изузетно високу ефикасност електромагнетне заштите (75,0 дБ), значајно супериорније од традиционалних ПиЦ тканина (24,4 дБ).

(3) Метода растопљене соли:

Истраживање: Донг ет ал. припремио аТаЦ премазна површини угљеничних влакана методом растаљене соли. Резултати су показали да овај премаз значајно повећава отпорност угљеничних влакана на оксидацију.

Слика 2

Слика 2: Слика 2 приказује СЕМ слике оригиналних угљеничних влакана и угљеничних влакана обложених ТаЦ припремљеним у различитим условима, заједно са кривуљама термогравиметријске анализе (ТГА) под различитим условима премаза.

Слика 2а: Приказује морфологију оригиналних угљеничних влакана.

Слика 2б: Приказана је морфологија површине угљеничних влакана обложених ТаЦ-ом припремљених на 1000°Ц, при чему је премаз густ и равномерно распоређен.

Слика 2ц: ТГА криве показују да јеТаЦ премаззначајно повећава отпорност угљеничних влакана на оксидацију, при чему премаз припремљен на 1100°Ц показује супериорну отпорност на оксидацију.

3. Ц/Ц композитна матрица

Карактеристике Ц/Ц композита:

Ц/Ц композити су карбонски матрични композити ојачани угљеничним влакнима, познати по свом високом специфичном модулу и високој специфичној чврстоћи, доброј стабилности топлотног удара и одличној отпорности на корозију при високим температурама. Првенствено се користе у ваздухопловству, аутомобилској и индустријској производњи. Међутим, Ц/Ц композити су склони оксидацији у окружењима са високим температурама и имају лошу пластичност, што ограничава њихову примену на вишим температурама.

Улога одТаЦ Цоатинг:

Припрема аТаЦ премазна површини Ц/Ц композита могу значајно побољшати њихову отпорност на аблацију, стабилност термичког удара и механичка својства, чиме се проширују њихове потенцијалне примене у екстремним условима.

Методе и ефекти премаза:

(1) Метода прскања плазмом:

Истраживање: Фенг ет ал. припремљени ХфЦ-ТаЦ композитни премази на Ц/Ц композитима применом методе суперсоничног атмосферског распршивања плазме (САПС). Ови премази су показали одличну отпорност на аблацију под густином топлотног флукса пламена од 2,38 МВ/м², са брзином аблације масе од само 0,35 мг/с и линеарном брзином аблације од 1,05 µм/с, што указује на изузетну стабилност на високим температурама.

(2) Сол-Гел метода:

Истраживање: Хе ет ал. припремљенаТаЦ премазина Ц/Ц композитима методом сол-гел и синтероване на различитим температурама. Студија је открила да је премаз након синтеровања на 1600°Ц показао најбољу отпорност на аблацију, са континуираном и густом слојевитом структуром.

(3) Хемијско таложење паре (ЦВД):

Истраживање: Рен ет ал. нанети Хф(Та)Ц превлаке на Ц/Ц композите коришћењем ХфЦл4-ТаЦл5-ЦХ4-Х2-Ар система путем ЦВД методе. Експерименти су показали да је премаз имао јаку адхезију за подлогу, и након 120 секунди аблације пламеном, маса аблације је била само 0,97 мг/с са линеарном брзином аблације од 1,32 µм/с, што показује одличну отпорност на аблацију.

Слика 3

Слика 3 приказује морфологију лома Ц/Ц композита са вишеслојним ПиЦ/СиЦ/ТаЦ/ПиЦ премазима.

Слика 3а: Приказује укупну морфологију лома превлаке, где се може уочити међуслојна структура премаза.

Слика 3б: је увећана слика премаза, која приказује услове интерфејса између слојева.

Слика 3ц: Упоређује међуфазну чврстоћу на смицање и чврстоћу на савијање два различита материјала, што указује да вишеслојна структура превлаке значајно побољшава механичка својства Ц/Ц композита.

4. ТаЦ премази на материјалима на бази угљеника припремљеним ЦВД

ЦВД метода може да произведе високу чистоћу, густину и уједначеностТаЦ премазина релативно ниским температурама, избегавајући дефекте и пукотине које се обично виде у другим методама припреме на високим температурама.

Утицај параметара КВБ:

(1) Брзина протока гаса:

Подешавањем брзине протока гаса током ЦВД процеса, морфологија површине и хемијски састав превлаке могу се ефикасно контролисати. На пример, Зханг ет ал. проучавао утицај брзине протока Ар гаса наТаЦ премазраст и открили да повећање брзине протока Ар успорава раст зрна, што резултира мањим и уједначенијим зрнима.

(2) Температура таложења:

Температура таложења значајно утиче на морфологију површине и хемијски састав премаза. Генерално, више температуре таложења убрзавају брзину таложења, али такође могу повећати унутрашње напрезање, што доводи до стварања пукотина. Цхен ет ал. нашао даТаЦ премазиприпремљен на 800°Ц садржао је малу количину слободног угљеника, док су на 1000°Ц превлаке углавном биле од ТаЦ кристала.

(3) Притисак таложења:

Притисак таложења првенствено утиче на величину зрна и брзину таложења премаза. Студије показују да како се притисак таложења повећава, брзина таложења се значајно побољшава, а величина зрна се повећава, иако кристална структура премаза остаје углавном непромењена.

Слика 4

Слика 5

Слике 4 и 5 илуструју утицај брзине протока Х2 и температуре таложења на састав и величину зрна премаза.

Слика 4: Приказује утицај различитих брзина протока Х2 на саставТаЦ премазина 850°Ц и 950°Ц. Када је проток Х2 100 мЛ/мин, премаз се углавном састоји од ТаЦ са малом количином Та2Ц. На вишим температурама, додавањем Х2 добијају се мање и униформније честице.

Слика 5: Демонстрира промене у морфологији површине и величини зрнаТаЦ премазина различитим температурама таложења. Како температура расте, величина зрна постепено расте, прелазећи од сферних до полиедарских зрна.

Трендови развоја

Тренутни изазови:

МадаТаЦ премазизначајно побољшавају перформансе материјала на бази угљеника, велика разлика у коефицијентима термичке експанзије између ТаЦ и угљеничне подлоге може довести до пуцања и ломљења под високим температурама. Поред тога, синглТаЦ премази даље може да не испуни захтеве за пријаву под одређеним екстремним условима.

Решења:

(1) Системи композитних премаза:

За заптивање пукотина у једном премазу могу се користити вишеслојни композитни системи премаза. На пример, Фенг ет ал. припремили наизменичне ХфЦ-ТаЦ/ХфЦ-СиЦ премазе на Ц/Ц композитима користећи САПС метод, који су показали супериорну отпорност на аблацију на високим температурама.

(2) Системи премаза за јачање чврстог раствора:

ХфЦ, ЗрЦ и ТаЦ имају исту кубичну кристалну структуру усредсређену на лице и могу да формирају чврсте растворе један са другим како би побољшали отпорност на аблацију. На пример, Ванг ет ал. припремљене Хф(Та)Ц превлаке применом ЦВД методе, које су показале одличну отпорност на аблацију у условима високе температуре.

(3) Градијентни системи премаза:

Градијентни премази побољшавају укупне перформансе обезбеђујући континуирану дистрибуцију градијента композиције премаза, што смањује унутрашње напрезање и неусклађеност коефицијената термичког ширења. Ли ет ал. припремљени ТаЦ/СиЦ градијентни премази који су показали одличну отпорност на топлотни удар током тестова аблације пламеном на 2300°Ц, без уоченог пуцања или ломљења.

Слика 6

Слика 6 илуструје отпорност на аблацију композитних премаза различите структуре. Слика 6б показује да наизменичне структуре премаза смањују пукотине на високим температурама, показујући оптималну отпорност на аблацију. Насупрот томе, слика 6ц показује да су вишеслојни премази склони љуштењу на високим температурама због присуства више интерфејса.

Закључак и изглед

Овај рад систематски сумира напредак истраживањаТаЦ премазио графиту, карбонским влакнима и Ц/Ц композитима, расправља о утицају параметара ЦВД наТаЦ премазперформансе, и анализира актуелна питања.

Да би се испунили захтеви примене материјала на бази угљеника у екстремним условима, потребна су даља побољшања отпорности на аблацију, отпорности на оксидацију и механичке стабилности ТаЦ премаза на високим температурама. Поред тога, будућа истраживања би требало да се баве кључним питањима у припреми ЦВД ТаЦ премаза, промовишући напредак у комерцијалној примениТаЦ премази.**

---

Ми у Семицорек-у смо специјализовани за СиЦ/Производи од графита обложени ТаЦи ЦВД СиЦ технологија примењена у производњи полупроводника, ако имате било каквих питања или су вам потребни додатни детаљи, не оклевајте да нас контактирате.

Контакт телефон: +86-13567891907

Емаил: салес@семицорек.цом