Pag-unlad ng Pananaliksik ng TaC Coatings sa Carbon-Based Material Surfaces

Background ng Pananaliksik

Ang mga materyales na nakabatay sa carbon tulad ng graphite, carbon fibers, at carbon/carbon (C/C) composites ay kilala sa kanilang mataas na partikular na lakas, mataas na partikular na modulus, at mahusay na mga katangian ng thermal, na ginagawang angkop ang mga ito para sa malawak na hanay ng mga aplikasyon sa mataas na temperatura. . Ang mga materyales na ito ay malawakang ginagamit sa aerospace, chemical engineering, at imbakan ng enerhiya. Gayunpaman, ang kanilang pagkamaramdamin sa oksihenasyon at kaagnasan sa mga kapaligiran na may mataas na temperatura, kasama ang mahinang paglaban sa scratch, ay naghihigpit sa kanilang karagdagang aplikasyon.

Sa mga teknolohikal na pagsulong, ang mga umiiral na materyales na nakabatay sa carbon ay lalong hindi nakakatugon sa mahigpit na hinihingi ng matinding kapaligiran, partikular na tungkol sa oxidation at corrosion resistance. Samakatuwid, ang pagpapahusay sa pagganap ng mga materyales na ito ay naging isang pangunahing direksyon ng pananaliksik.

Ang Tantalum carbide (TaC) ay isang materyal na may napakataas na punto ng pagkatunaw (3880°C), mahusay na katatagan ng makina na may mataas na temperatura, at paglaban sa kaagnasan. Nagpapakita rin ito ng mahusay na pagkakatugma ng kemikal sa mga materyales na nakabatay sa carbon.TaC coatingsmaaaring makabuluhang mapahusay ang paglaban sa oksihenasyon at mekanikal na mga katangian ng mga materyales na nakabatay sa carbon, na nagpapalawak ng kanilang kakayahang magamit sa matinding kapaligiran.

Pag-unlad ng Pananaliksik ng TaC Coatings sa Carbon-Based Material Surfaces

1. Graphite Substrates

Mga Bentahe ng Graphite:

Ang graphite ay malawakang ginagamit sa mataas na temperatura na metalurhiya, mga baterya ng enerhiya, at pagmamanupaktura ng semiconductor dahil sa mataas na temperatura na pagpapaubaya nito (mga punto ng pagkatunaw sa paligid ng 3850°C), mataas na thermal conductivity, at mahusay na thermal shock resistance. Gayunpaman, ang grapayt ay madaling kapitan ng oksihenasyon at kaagnasan ng mga tinunaw na metal sa mataas na temperatura.

Papel ngMga Patong ng TaC:

Ang mga coatings ng TaC ay maaaring makabuluhang mapabuti ang oxidation resistance, corrosion resistance, at mekanikal na katangian ng graphite, at sa gayon ay mapahusay ang potensyal nito para sa mga aplikasyon sa matinding kapaligiran.

Mga Paraan at Epekto ng Patong:

(1) Pag-spray ng Plasma:

Pananaliksik: Trignan et al. gumamit ng plasma spraying para magdeposito ng 150 µm na kapalTaC coatingsa ibabaw ng grapayt, makabuluhang pinahuhusay ang pagpapaubaya sa mataas na temperatura. Bagama't naglalaman ang coating ng TaC0.85 at Ta2C post-spraying, nanatili itong buo nang walang pag-crack pagkatapos ng paggamot sa mataas na temperatura sa 2000°C.

(2) Chemical Vapor Deposition (CVD):

Pananaliksik: Lv et al. gumamit ng TaCl5-Ar-C3H6 system upang maghanda ng C-TaC multiphase coating sa mga graphite surface gamit ang CVD method. Ang kanilang pag-aaral ay nagsiwalat na habang ang carbon content sa coating ay tumaas, ang friction coefficient ay bumaba, na nagpapahiwatig ng mahusay na wear resistance.

(3) Paraan ng Slurry Sintering:

Pananaliksik: Shen et al. naghanda ng slurry gamit ang TaCl5 at acetylacetone, na inilapat nila sa mga graphite surface at pagkatapos ay sumailalim sa high-temperature sintering. Ang resultaTaC coatingang mga particle ay humigit-kumulang 1 µm ang laki at nagpakita ng magandang katatagan ng kemikal at katatagan ng mataas na temperatura pagkatapos ng paggamot sa 2000°C.

Larawan 1

Ang Figure 1a ay nagpapakita ng TaC crucible na inihanda sa pamamagitan ng CVD method, habang ang Figures 1b at 1c ay naglalarawan ng kondisyon ng crucible sa ilalim ng MOCVD-GaN epitaxial growth at AlN sublimation growth conditions, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga larawang ito ay nagpapakita na angTaC coatinghindi lamang nagpapakita ng mahusay na ablation resistance sa matinding temperatura ngunit nagpapanatili din ng mataas na structural stability sa ilalim ng mataas na temperatura na mga kondisyon.

2. Carbon Fiber Substrate

Mga Katangian ng Carbon Fiber:

Ang carbon fiber ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na tiyak na lakas at mataas na tiyak na modulus, kasama ang mahusay na kondaktibiti ng kuryente, thermal conductivity, acid at alkali corrosion resistance, at mataas na temperatura na katatagan. Gayunpaman, ang carbon fiber ay may posibilidad na mawala ang mga superyor na katangian na ito sa mataas na temperatura na oxidative na kapaligiran.

Papel ngPatong ng TaC:

Pagdedeposito aTaC coatingsa ibabaw ng carbon fiber ay makabuluhang pinahuhusay ang paglaban sa oksihenasyon at paglaban sa radiation, sa gayo'y pinapabuti ang kakayahang magamit nito sa matinding mataas na temperatura na mga kapaligiran.

Mga Paraan at Epekto ng Patong:

(1) Chemical Vapor Infiltration (CVI):

Pananaliksik: Chen et al. idineposito aTaC coatingsa carbon fiber gamit ang CVI method. Natuklasan ng pag-aaral na sa mga temperatura ng deposition na 950-1000°C, ang TaC coating ay nagpakita ng isang siksik na istraktura at mahusay na paglaban sa oksihenasyon sa mataas na temperatura.

(2) In Situ Reaction Method:

Pananaliksik: Liu et al. naghanda ng mga tela ng TaC/PyC sa cotton fibers gamit ang in situ reaction method. Ang mga telang ito ay nagpakita ng napakataas na electromagnetic shielding effectiveness (75.0 dB), na higit na mataas sa tradisyonal na PyC na tela (24.4 dB).

(3) Paraan ng Molten Salt:

Pananaliksik: Dong et al. inihanda aTaC coatingsa ibabaw ng carbon fiber gamit ang molten salt method. Ang mga resulta ay nagpakita na ang patong na ito ay makabuluhang pinahusay ang paglaban sa oksihenasyon ng carbon fiber.

Larawan 2

Figure 2: Figure 2 ay nagpapakita ng SEM na mga imahe ng orihinal na carbon fibers at TaC-coated carbon fibers na inihanda sa ilalim ng iba't ibang kundisyon, kasama ng thermogravimetric analysis (TGA) curves sa ilalim ng iba't ibang kondisyon ng coating.

Figure 2a: Ipinapakita ang morphology ng orihinal na carbon fibers.

Figure 2b: Ipinapakita ang surface morphology ng TaC-coated carbon fibers na inihanda sa 1000°C, na ang coating ay siksik at pantay na ipinamamahagi.

Figure 2c: Ang mga kurba ng TGA ay nagpapahiwatig na angTaC coatingmakabuluhang pinahuhusay ang paglaban sa oksihenasyon ng mga carbon fiber, na may inihanda na patong sa 1100°C na nagpapakita ng higit na paglaban sa oksihenasyon.

3. C/C Composite Matrix

Mga Katangian ng C/C Composites:

Ang mga composite ng C/C ay mga carbon fiber-reinforced na carbon matrix composite, na kilala sa kanilang mataas na partikular na modulus at mataas na partikular na lakas, mahusay na thermal shock stability, at mahusay na mataas na temperatura na corrosion resistance. Pangunahing ginagamit ang mga ito sa mga larangan ng aerospace, automotive, at industriyal na produksyon. Gayunpaman, ang mga composite ng C/C ay madaling kapitan ng oksihenasyon sa mga kapaligirang may mataas na temperatura at may mahinang plasticity, na naglilimita sa kanilang aplikasyon sa mas mataas na temperatura.

Papel ngPatong ng TaC:

Paghahanda aTaC coatingsa ibabaw ng C/C composites ay maaaring makabuluhang mapabuti ang kanilang ablation resistance, thermal shock stability, at mekanikal na mga katangian, sa gayon ay nagpapalawak ng kanilang mga potensyal na aplikasyon sa ilalim ng matinding kundisyon.

Mga Paraan at Epekto ng Patong:

(1) Paraan ng Pag-spray ng Plasma:

Pananaliksik: Feng et al. naghanda ng HfC-TaC composite coatings sa mga C/C composites gamit ang supersonic atmospheric plasma spraying (SAPS) na pamamaraan. Ang mga coatings na ito ay nagpakita ng mahusay na ablation resistance sa ilalim ng flame heat flux density na 2.38 MW/m², na may mass ablation rate na 0.35 mg/s lamang at isang linear ablation rate na 1.05 µm/s, na nagpapahiwatig ng natitirang katatagan sa mataas na temperatura.

(2) Paraan ng Sol-Gel:

Pananaliksik: Siya et al. pinaghandaanTaC coatingssa C/C composites gamit ang sol-gel method at sintered ang mga ito sa iba't ibang temperatura. Ang pag-aaral ay nagsiwalat na pagkatapos ng sintering sa 1600°C, ang coating ay nagpakita ng pinakamahusay na ablation resistance, na may tuluy-tuloy at siksik na layered na istraktura.

(3) Chemical Vapor Deposition (CVD):

Pananaliksik: Ren et al. nagdeposito ng Hf(Ta)C coatings sa C/C composites gamit ang HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar system sa pamamagitan ng CVD method. Ipinakita ng mga eksperimento na ang coating ay may malakas na pagdirikit sa substrate, at pagkatapos ng 120 segundo ng flame ablation, ang mass ablation rate ay 0.97 mg/s lamang na may linear ablation rate na 1.32 µm/s, na nagpapakita ng mahusay na ablation resistance.

Larawan 3

Ipinapakita ng Figure 3 ang fracture morphology ng C/C composites na may multilayer na PyC/SiC/TaC/PyC coatings.

Figure 3a: Ipinapakita ang pangkalahatang fracture morphology ng coating, kung saan makikita ang interlayer structure ng coatings.

Figure 3b: Ay isang pinalaki na imahe ng coating, na nagpapakita ng mga kondisyon ng interface sa pagitan ng mga layer.

Figure 3c: Inihahambing ang interfacial shear strength at flexural strength ng dalawang magkaibang materyales, na nagpapahiwatig na ang multilayer coating structure ay makabuluhang pinahuhusay ang mekanikal na katangian ng C/C composites.

4. TaC Coatings sa Carbon-Based Materials Inihanda ng CVD

Ang paraan ng CVD ay maaaring makagawa ng mataas na kadalisayan, siksik, at pare-parehoTaC coatingssa medyo mababang temperatura, pag-iwas sa mga depekto at bitak na karaniwang nakikita sa iba pang paraan ng paghahanda sa mataas na temperatura.

Impluwensiya ng CVD Parameter:

(1) Rate ng Daloy ng Gas:

Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng rate ng daloy ng gas sa panahon ng proseso ng CVD, ang morpolohiya sa ibabaw at komposisyon ng kemikal ng patong ay mabisang makokontrol. Halimbawa, si Zhang et al. pinag-aralan ang epekto ng Ar gas flow rate saTaC coatingpaglago at nalaman na ang pagtaas ng rate ng daloy ng Ar ay nagpapabagal sa paglaki ng butil, na nagreresulta sa mas maliit at mas magkatulad na mga butil.

(2) Temperatura ng Deposition:

Ang temperatura ng deposition ay makabuluhang nakakaapekto sa morpolohiya sa ibabaw at kemikal na komposisyon ng patong. Sa pangkalahatan, ang mas mataas na temperatura ng deposition ay nagpapabilis sa rate ng deposition ngunit maaari ring tumaas ang panloob na stress, na humahantong sa pagbuo ng mga bitak. Chen et al. natagpuan naTaC coatingsna inihanda sa 800 ° C ay naglalaman ng isang maliit na halaga ng libreng carbon, samantalang sa 1000 ° C, ang mga coatings ay pangunahing binubuo ng mga kristal na TaC.

(3) Deposition Pressure:

Pangunahing nakakaapekto ang deposition pressure sa laki ng butil at deposition rate ng coating. Ipinapakita ng mga pag-aaral na habang tumataas ang presyon ng deposition, makabuluhang bumubuti ang rate ng deposition, at tumataas ang laki ng butil, bagaman ang istraktura ng kristal ng patong ay nananatiling hindi nagbabago.

Larawan 4

Larawan 5

Ang mga figure 4 at 5 ay naglalarawan ng mga epekto ng H2 flow rate at deposition temperature sa komposisyon at laki ng butil ng mga coatings.

Figure 4: Ipinapakita ang epekto ng iba't ibang H2 flow rate sa komposisyon ngTaC coatingssa 850°C at 950°C. Kapag ang H2 flow rate ay 100 mL/min, ang coating ay pangunahing binubuo ng TaC na may maliit na halaga ng Ta2C. Sa mas mataas na temperatura, ang pagdaragdag ng H2 ay nagreresulta sa mas maliit at mas pare-parehong mga particle.

Larawan 5: Nagpapakita ng mga pagbabago sa morpolohiya sa ibabaw at laki ng butil ngTaC coatingssa iba't ibang temperatura ng deposition. Habang tumataas ang temperatura, unti-unting lumalaki ang laki ng butil, lumilipat mula sa spherical hanggang polyhedral na butil.

Mga Uso sa Pag-unlad

Mga Kasalukuyang Hamon:

BagamanTaC coatingsmakabuluhang mapahusay ang pagganap ng mga materyales na nakabatay sa carbon, ang malaking pagkakaiba sa mga thermal expansion coefficient sa pagitan ng TaC at ang carbon substrate ay maaaring humantong sa mga bitak at spalling sa ilalim ng mataas na temperatura. Bilang karagdagan, isang solongTaC coatingmaaari pa ring hindi matugunan ang mga kinakailangan sa aplikasyon sa ilalim ng ilang matinding kundisyon.

Mga solusyon:

(1) Composite Coating System:

Upang i-seal ang mga bitak sa iisang coating, maaaring gamitin ang multilayer composite coating system. Halimbawa, si Feng et al. naghanda ng alternating HfC-TaC/HfC-SiC coatings sa mga C/C composites gamit ang SAPS method, na nagpakita ng superior ablation resistance sa mataas na temperatura.

(2) Solid Solution Strengthening Coating System:

Ang HfC, ZrC, at TaC ay may parehong face-centered cubic crystal na istraktura at maaaring bumuo ng mga solidong solusyon sa isa't isa upang mapahusay ang ablation resistance. Halimbawa, Wang et al. naghanda ng Hf(Ta)C coatings gamit ang CVD method, na nagpakita ng mahusay na ablation resistance sa ilalim ng mataas na temperatura.

(3) Gradient Coating System:

Pinapahusay ng mga gradient coating ang pangkalahatang pagganap sa pamamagitan ng pagbibigay ng tuluy-tuloy na pamamahagi ng gradient ng komposisyon ng coating, na binabawasan ang panloob na stress at hindi pagkakatugma sa mga koepisyent ng pagpapalawak ng thermal. Li et al. naghanda ng TaC/SiC gradient coatings na nagpakita ng mahusay na thermal shock resistance sa panahon ng flame ablation test sa 2300°C, na walang nakitang crack o spalling.

Larawan 6

Ang Figure 6 ay naglalarawan ng ablation resistance ng mga composite coatings na may iba't ibang istruktura. Ipinapakita ng Figure 6b na ang mga alternating coating structure ay nagpapababa ng mga bitak sa mataas na temperatura, na nagpapakita ng pinakamainam na ablation resistance. Sa kaibahan, ang Figure 6c ay nagpapahiwatig na ang mga multilayer coatings ay madaling kapitan ng spalling sa mataas na temperatura dahil sa pagkakaroon ng maraming mga interface.

Konklusyon at Outlook

Ang papel na ito ay sistematikong nagbubuod sa pag-unlad ng pananaliksik ngTaC coatingssa graphite, carbon fiber, at C/C composites, tinatalakay ang impluwensya ng mga parameter ng CVD saTaC coatingpagganap, at sinusuri ang mga kasalukuyang isyu.

Upang matugunan ang mga kinakailangan sa aplikasyon ng mga materyal na nakabatay sa carbon sa ilalim ng matinding mga kondisyon, kailangan ang karagdagang mga pagpapabuti sa ablation resistance, oxidation resistance, at mataas na temperatura na mekanikal na katatagan ng TaC coatings. Karagdagan pa, ang pananaliksik sa hinaharap ay dapat magsaliksik sa mga pangunahing isyu sa paghahanda ng CVD TaC coatings, na nagsusulong ng mga pagsulong sa komersyal na aplikasyon ngTaC coatings.**

---

Kami sa Semicorex ay dalubhasa sa SiC/Mga produktong grapayt na pinahiran ng TaCat teknolohiyang CVD SiC na inilapat sa paggawa ng semiconductor, kung mayroon kang anumang mga katanungan o kailangan ng karagdagang mga detalye, mangyaring huwag mag-atubiling makipag-ugnayan sa amin.

Makipag-ugnayan sa telepono: +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com