پیشرفت تحقیق پوشش‌های TaC بر روی سطوح مواد مبتنی بر کربن

پیشینه تحقیق

مواد مبتنی بر کربن مانند گرافیت، الیاف کربن و کامپوزیت های کربن/کربن (C/C) به دلیل استحکام ویژه بالا، مدول ویژه بالا و خواص حرارتی عالی شناخته شده اند، که آنها را برای طیف گسترده ای از کاربردهای در دمای بالا مناسب می کند. . این مواد به طور گسترده در هوافضا، مهندسی شیمی و ذخیره انرژی مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، حساسیت آنها به اکسیداسیون و خوردگی در محیط های با دمای بالا، همراه با مقاومت ضعیف در برابر خراش، کاربرد بیشتر آنها را محدود می کند.

با پیشرفت های تکنولوژیکی، مواد مبتنی بر کربن موجود به طور فزاینده ای قادر به پاسخگویی به نیازهای سختگیرانه محیط های شدید، به ویژه در مورد مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی نیستند. بنابراین، افزایش عملکرد این مواد به یک جهت تحقیقاتی کلیدی تبدیل شده است.

کاربید تانتالم (TaC) ماده ای با نقطه ذوب بسیار بالا (3880 درجه سانتیگراد)، پایداری مکانیکی عالی در دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی است. همچنین سازگاری شیمیایی خوبی با مواد مبتنی بر کربن از خود نشان می دهد.پوشش های TaCمی تواند به طور قابل توجهی مقاومت اکسیداسیون و خواص مکانیکی مواد مبتنی بر کربن را افزایش دهد و کاربرد آنها را در محیط های شدید گسترش دهد.

پیشرفت تحقیق پوشش‌های TaC بر روی سطوح مواد مبتنی بر کربن

1. بسترهای گرافیت

مزایای گرافیت:

گرافیت به دلیل تحمل دمای بالا (نقطه ذوب در حدود 3850 درجه سانتیگراد)، هدایت حرارتی بالا و مقاومت در برابر شوک حرارتی عالی، به طور گسترده در متالورژی با دمای بالا، باتری های انرژی و تولید نیمه هادی ها استفاده می شود. با این حال، گرافیت در دمای بالا مستعد اکسید شدن و خوردگی توسط فلزات مذاب است.

نقش ازپوشش های TaC:

پوشش های TaC می توانند به طور قابل توجهی مقاومت اکسیداسیون، مقاومت در برابر خوردگی و خواص مکانیکی گرافیت را بهبود بخشند و در نتیجه پتانسیل آن را برای کاربرد در محیط های شدید افزایش دهند.

روش ها و اثرات پوشش:

(1) اسپری پلاسما:

تحقیق: تریگنان و همکاران. از اسپری پلاسما برای رسوب 150 میکرومتر ضخامت استفاده کردپوشش TaCبر روی سطح گرافیت، به طور قابل توجهی تحمل آن را در دمای بالا افزایش می دهد. اگرچه پوشش حاوی TaC0.85 و Ta2C پس از پاشش بود، اما پس از عملیات حرارتی بالا در 2000 درجه سانتیگراد، بدون ترک خوردگی دست نخورده باقی ماند.

(2) رسوب بخار شیمیایی (CVD):

تحقیق: Lv و همکاران. از سیستم TaCl5-Ar-C3H6 برای تهیه یک پوشش چند فازی C-TaC بر روی سطوح گرافیت با استفاده از روش CVD استفاده کرد. مطالعه آنها نشان داد که با افزایش محتوای کربن در پوشش، ضریب اصطکاک کاهش می‌یابد که نشان‌دهنده مقاومت در برابر سایش عالی است.

(3) روش پخت دوغاب:

تحقیق: شن و همکاران. دوغابی را با استفاده از TaCl5 و استیل استون تهیه کردند که آن را روی سطوح گرافیت اعمال کردند و سپس در معرض تف جوشی در دمای بالا قرار دادند. حاصلهپوشش TaCاندازه ذرات تقریباً 1 میکرومتر بود و پس از تیمار در دمای 2000 درجه سانتی گراد، پایداری شیمیایی و پایداری در دمای بالا را نشان داد.

شکل 1

شکل 1a بوته TaC تهیه شده از طریق روش CVD را نشان می دهد، در حالی که شکل های 1b و 1c وضعیت بوته را به ترتیب تحت شرایط رشد همپایه MOCVD-GaN و رشد تصعید AlN نشان می دهد. این تصاویر نشان می دهد کهپوشش TaCنه تنها مقاومت عالی در برابر فرسایش را در دماهای شدید نشان می دهد، بلکه پایداری ساختاری بالایی را در شرایط دمای بالا حفظ می کند.

2. بستر فیبر کربن

ویژگی های فیبر کربن:

فیبر کربن با استحکام ویژه بالا و مدول ویژه بالا، همراه با هدایت الکتریکی عالی، هدایت حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی اسیدی و قلیایی و پایداری در دمای بالا مشخص می شود. با این حال، فیبر کربن تمایل دارد این خواص برتر را در محیط های اکسیداتیو با دمای بالا از دست بدهد.

نقش ازپوشش TaC:

سپرده گذاری الفپوشش TaCبر روی سطح فیبر کربن به طور قابل توجهی مقاومت اکسیداسیون و مقاومت در برابر تشعشع آن را افزایش می دهد و در نتیجه کاربرد آن را در محیط های بسیار با دمای بالا بهبود می بخشد.

روش ها و اثرات پوشش:

(1) نفوذ بخار شیمیایی (CVI):

تحقیق: چن و همکاران سپرده شده aپوشش TaCبر روی فیبر کربن با استفاده از روش CVI. این مطالعه نشان داد که در دمای رسوب 950-1000 درجه سانتیگراد، پوشش TaC ساختار متراکم و مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا از خود نشان می دهد.

(2) روش واکنش درجا:

تحقیق: لیو و همکاران پارچه های TaC/PyC را بر روی الیاف پنبه با استفاده از روش واکنش درجا تهیه کرد. این پارچه‌ها اثر حفاظت الکترومغناطیسی بسیار بالایی را نشان دادند (75.0 دسی‌بل)، که به طور قابل‌توجهی برتر از پارچه‌های سنتی PyC (24.4 دسی‌بل) بود.

(3) روش نمک مذاب:

تحقیق: دونگ و همکاران تهیه شده aپوشش TaCروی سطح فیبر کربن با استفاده از روش نمک مذاب. نتایج نشان داد که این پوشش به طور قابل توجهی مقاومت اکسیداسیون فیبر کربن را افزایش داد.

شکل 2

شکل 2: شکل 2 تصاویر SEM از الیاف کربن اصلی و الیاف کربن پوشش داده شده با TaC را نشان می دهد که در شرایط مختلف به همراه منحنی های تجزیه و تحلیل حرارتی (TGA) تحت شرایط پوشش مختلف تهیه شده اند.

شکل 2a: مورفولوژی الیاف کربن اصلی را نشان می دهد.

شکل 2b: مورفولوژی سطح الیاف کربن پوشش داده شده با TaC را نشان می دهد که در دمای 1000 درجه سانتیگراد تهیه شده اند، با پوشش متراکم و یکنواخت توزیع شده است.

شکل 2c: منحنی های TGA نشان می دهد کهپوشش TaCبه طور قابل توجهی مقاومت اکسیداسیون الیاف کربن را افزایش می دهد، با پوشش تهیه شده در دمای 1100 درجه سانتی گراد مقاومت اکسیداسیون برتری را نشان می دهد.

3. ماتریس کامپوزیت C/C

ویژگی های کامپوزیت های C/C:

کامپوزیت های C/C کامپوزیت های ماتریکس کربنی تقویت شده با فیبر کربن هستند که به دلیل مدول ویژه بالا و استحکام ویژه بالا، پایداری شوک حرارتی خوب و مقاومت در برابر خوردگی عالی در دمای بالا شناخته می شوند. آنها عمدتاً در زمینه های تولید هوافضا، خودروسازی و صنعتی استفاده می شوند. با این حال، کامپوزیت های C/C مستعد اکسید شدن در محیط های با دمای بالا هستند و انعطاف پذیری ضعیفی دارند، که کاربرد آنها را در دماهای بالاتر محدود می کند.

نقش ازپوشش TaC:

آماده سازی الفپوشش TaCبر روی سطح کامپوزیت های C/C می توانند مقاومت فرسایشی، پایداری شوک حرارتی و خواص مکانیکی خود را به طور قابل توجهی بهبود بخشند و در نتیجه کاربردهای بالقوه خود را در شرایط شدید گسترش دهند.

روش ها و اثرات پوشش:

(1) روش اسپری پلاسما:

تحقیق: فنگ و همکاران پوشش های کامپوزیت HfC-TaC بر روی کامپوزیت های C/C با استفاده از روش پاشش پلاسمای مافوق صوت اتمسفر (SAPS) تهیه شد. این پوشش ها مقاومت عالی در برابر فرسایش تحت چگالی شار حرارتی شعله 2.38 مگاوات بر متر مربع، با نرخ فرسایش جرمی تنها 0.35 میلی گرم بر ثانیه و نرخ فرسایش خطی 1.05 میکرومتر بر ثانیه از خود نشان دادند که نشان دهنده پایداری فوق العاده در دماهای بالا است.

(2) روش سل-ژل:

تحقیق: او و همکاران آماده شده استپوشش های TaCبر روی کامپوزیت های C/C به روش سل-ژل و پخت آنها در دماهای مختلف. این مطالعه نشان داد که پس از پخت در دمای 1600 درجه سانتی گراد، پوشش بهترین مقاومت در برابر فرسایش را با ساختار لایه ای پیوسته و متراکم نشان داد.

(3) رسوب بخار شیمیایی (CVD):

تحقیق: رن و همکاران. پوشش‌های Hf(Ta)C را روی کامپوزیت‌های C/C با استفاده از سیستم HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar از طریق روش CVD رسوب داد. آزمایش‌ها نشان داد که پوشش چسبندگی قوی به زیرلایه دارد و پس از 120 ثانیه فرسایش شعله، سرعت فرسایش جرمی تنها 0.97 میلی‌گرم بر ثانیه با سرعت فرسایش خطی 1.32 میکرومتر بر ثانیه بود که مقاومت در برابر فرسایش عالی را نشان می‌دهد.

شکل 3

شکل 3 مورفولوژی شکست کامپوزیت های C/C با پوشش های چند لایه PyC/SiC/TaC/PyC را نشان می دهد.

شکل 3a: مورفولوژی شکست کلی پوشش را نشان می دهد که در آن ساختار لایه ای پوشش ها قابل مشاهده است.

شکل 3b: تصویر بزرگ شده ای از پوشش است که شرایط رابط بین لایه ها را نشان می دهد.

شکل 3c: مقاومت برشی سطحی و مقاومت خمشی دو ماده مختلف را مقایسه می‌کند، که نشان می‌دهد ساختار پوشش چندلایه به طور قابل توجهی خواص مکانیکی کامپوزیت‌های C/C را افزایش می‌دهد.

4. پوشش های TaC بر روی مواد مبتنی بر کربن تهیه شده توسط CVD

روش CVD می تواند خلوص بالا، متراکم و یکنواخت تولید کندپوشش های TaCدر دماهای نسبتاً پایین، از عیوب و ترک‌هایی که معمولاً در سایر روش‌های آماده‌سازی در دمای بالا دیده می‌شود، اجتناب می‌شود.

تاثیر پارامترهای CVD:

(1) نرخ جریان گاز:

با تنظیم نرخ جریان گاز در طول فرآیند CVD، مورفولوژی سطح و ترکیب شیمیایی پوشش را می توان به طور موثر کنترل کرد. به عنوان مثال، ژانگ و همکاران. بررسی اثر سرعت جریان گاز Ar برپوشش TaCرشد و دریافتند که افزایش سرعت جریان Ar رشد دانه را کند می‌کند و در نتیجه دانه‌های کوچک‌تر و یکنواخت‌تری ایجاد می‌کند.

(2) دمای رسوب:

دمای رسوب به طور قابل توجهی بر مورفولوژی سطح و ترکیب شیمیایی پوشش تأثیر می گذارد. به طور کلی، دمای رسوب بالاتر سرعت رسوب را تسریع می کند، اما ممکن است تنش داخلی را نیز افزایش دهد و منجر به تشکیل ترک شود. چن و همکاران یافت کهپوشش های TaCتهیه شده در دمای 800 درجه سانتی گراد حاوی مقدار کمی کربن آزاد بود، در حالی که در دمای 1000 درجه سانتی گراد، پوشش ها عمدتاً از کریستال های TaC تشکیل شده بودند.

(3) فشار رسوب:

فشار رسوب در درجه اول بر اندازه دانه و سرعت رسوب پوشش تأثیر می گذارد. مطالعات نشان می دهد که با افزایش فشار رسوب، نرخ رسوب به طور قابل توجهی بهبود می یابد، و اندازه دانه افزایش می یابد، اگرچه ساختار کریستالی پوشش تا حد زیادی بدون تغییر باقی می ماند.

شکل 4

شکل 5

شکل های 4 و 5 اثرات سرعت جریان H2 و دمای رسوب را بر ترکیب و اندازه دانه پوشش ها نشان می دهد.

شکل 4: اثر دبی های مختلف H2 را بر روی ترکیب نشان می دهدپوشش های TaCدر 850 درجه سانتیگراد و 950 درجه سانتیگراد. هنگامی که سرعت جریان H2 100 میلی لیتر در دقیقه است، پوشش عمدتاً از TaC با مقدار کمی Ta2C تشکیل شده است. در دماهای بالاتر، افزودن H2 باعث ایجاد ذرات کوچکتر و یکنواخت تر می شود.

شکل 5: تغییرات مورفولوژی سطح و اندازه دانه را نشان می دهدپوشش های TaCدر دماهای مختلف رسوب گذاری با افزایش دما، اندازه دانه به تدریج رشد می کند و از دانه های کروی به دانه های چند وجهی تبدیل می شود.

روندهای توسعه

چالش های فعلی:

هر چندپوشش های TaCبه طور قابل توجهی عملکرد مواد مبتنی بر کربن را افزایش می دهد، تفاوت زیاد در ضرایب انبساط حرارتی بین TaC و بستر کربن می تواند منجر به ترک و پوسته شدن در دمای بالا شود. علاوه بر این، یک تکپوشش TaCممکن است هنوز در شرایط شدید خاص از برآوردن الزامات برنامه کوتاهی کند.

راه حل ها:

(1) سیستم های پوشش کامپوزیتی:

برای آب بندی ترک ها در یک پوشش، می توان از سیستم های پوشش کامپوزیتی چند لایه استفاده کرد. به عنوان مثال، فنگ و همکاران. پوشش‌های متناوب HfC-TaC/HfC-SiC بر روی کامپوزیت‌های C/C با استفاده از روش SAPS تهیه کرد که مقاومت فرسایشی برتری در دماهای بالا نشان داد.

(2) سیستم های پوشش تقویت کننده محلول جامد:

HfC، ZrC و TaC دارای ساختار کریستالی مکعبی متمرکز روی یکسان هستند و می توانند محلول های جامد را با یکدیگر برای افزایش مقاومت در برابر فرسایش تشکیل دهند. به عنوان مثال، وانگ و همکاران. پوشش‌های Hf(Ta)C را با استفاده از روش CVD تهیه کرد که در شرایط دمای بالا مقاومت عالی در برابر فرسایش از خود نشان داد.

(3) سیستم های پوشش گرادیان:

پوشش‌های گرادیان عملکرد کلی را با ارائه یک توزیع گرادیان پیوسته ترکیب پوشش افزایش می‌دهند که تنش داخلی و عدم تطابق در ضرایب انبساط حرارتی را کاهش می‌دهد. لی و همکاران پوشش‌های گرادیان TaC/SiC را تهیه کرد که مقاومت در برابر شوک حرارتی عالی را در طول آزمایش‌های فرسایش شعله در دمای 2300 درجه سانتی‌گراد نشان داد، بدون اینکه ترک خوردگی یا پوسته شدن مشاهده شود.

شکل 6

شکل 6 مقاومت فرسایشی پوشش های کامپوزیتی با ساختارهای مختلف را نشان می دهد. شکل 6b نشان می دهد که ساختارهای پوشش متناوب ترک ها را در دماهای بالا کاهش می دهند و مقاومت بهینه در برابر فرسایش را نشان می دهند. در مقابل، شکل 6c نشان می‌دهد که پوشش‌های چندلایه به دلیل وجود رابط‌های متعدد مستعد پوسته شدن در دماهای بالا هستند.

نتیجه گیری و چشم انداز

این مقاله به طور سیستماتیک پیشرفت تحقیق را خلاصه می کندپوشش های TaCدر مورد گرافیت، فیبر کربن و کامپوزیت های C/C، تاثیر پارامترهای CVD برپوشش TaCعملکرد، و مسائل جاری را تجزیه و تحلیل می کند.

برای برآوردن نیازهای کاربرد مواد مبتنی بر کربن در شرایط شدید، بهبودهای بیشتری در مقاومت فرسایشی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و پایداری مکانیکی در دمای بالا پوشش‌های TaC مورد نیاز است. علاوه بر این، تحقیقات آینده باید به مسائل کلیدی در تهیه پوشش‌های CVD TaC بپردازد و پیشرفت‌ها را در کاربرد تجاری این پوشش‌ها ارتقا دهد.پوشش های TaC.**

---

ما در Semicorex در SiC/ تخصص داریممحصولات گرافیتی با پوشش TaCو فناوری CVD SiC که در ساخت نیمه هادی ها به کار می رود، اگر سؤالی دارید یا به جزئیات بیشتری نیاز دارید، لطفاً در تماس با ما تردید نکنید.

تلفن تماس: +86-13567891907

ایمیل: sales@semicorex.com