कार्बन-आधारित सामग्रीच्या पृष्ठभागावरील TaC कोटिंग्जची संशोधन प्रगती

संशोधन पार्श्वभूमी

ग्रेफाइट, कार्बन फायबर आणि कार्बन/कार्बन (C/C) कंपोझिट यांसारखी कार्बन-आधारित सामग्री त्यांच्या उच्च विशिष्ट शक्ती, उच्च विशिष्ट मॉड्यूलस आणि उत्कृष्ट थर्मल गुणधर्मांसाठी ओळखली जाते, ज्यामुळे ते उच्च-तापमान अनुप्रयोगांच्या विस्तृत श्रेणीसाठी योग्य बनतात. . ही सामग्री एरोस्पेस, रासायनिक अभियांत्रिकी आणि ऊर्जा संचयनामध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाते. तथापि, खराब स्क्रॅच प्रतिकारासह, उच्च-तापमान वातावरणात ऑक्सिडेशन आणि गंजण्याची त्यांची संवेदनशीलता, त्यांच्या पुढील अनुप्रयोगास प्रतिबंधित करते.

तांत्रिक प्रगतीसह, सध्याची कार्बन-आधारित सामग्री अत्यंत वातावरणातील कडक मागणी पूर्ण करण्यात अक्षम आहे, विशेषत: ऑक्सिडेशन आणि गंज प्रतिरोधकता. म्हणून, या सामग्रीची कार्यक्षमता वाढवणे ही एक प्रमुख संशोधन दिशा बनली आहे.

टँटलम कार्बाइड (TaC) ही अत्यंत उच्च वितळ बिंदू (3880°C), उत्कृष्ट उच्च-तापमान यांत्रिक स्थिरता आणि गंज प्रतिरोधक असलेली सामग्री आहे. हे कार्बन-आधारित सामग्रीसह चांगली रासायनिक सुसंगतता देखील प्रदर्शित करते.TaC कोटिंग्जकार्बन-आधारित सामग्रीचे ऑक्सिडेशन प्रतिरोध आणि यांत्रिक गुणधर्म लक्षणीयरीत्या वाढवू शकतात, अत्यंत वातावरणात त्यांची उपयुक्तता विस्तृत करू शकतात.

कार्बन-आधारित सामग्रीच्या पृष्ठभागावरील TaC कोटिंग्जची संशोधन प्रगती

1. ग्रेफाइट सबस्ट्रेट्स

ग्रेफाइटचे फायदे:

उच्च-तापमान सहनशीलता (3850°C च्या आसपास वितळण्याचा बिंदू), उच्च थर्मल चालकता आणि उत्कृष्ट थर्मल शॉक प्रतिरोध यामुळे उच्च-तापमान धातूशास्त्र, ऊर्जा बॅटरी आणि सेमीकंडक्टर उत्पादनामध्ये ग्रेफाइटचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो. तथापि, उच्च तापमानात वितळलेल्या धातूंद्वारे ग्रेफाइटचे ऑक्सिडेशन आणि गंज होण्याची शक्यता असते.

ची भूमिकाTaC कोटिंग्ज:

TaC कोटिंग्ज ग्रेफाइटचे ऑक्सिडेशन प्रतिरोध, गंज प्रतिरोधक आणि यांत्रिक गुणधर्मांमध्ये लक्षणीय सुधारणा करू शकतात, ज्यामुळे अत्यंत वातावरणात त्याच्या वापराची क्षमता वाढते.

कोटिंग पद्धती आणि प्रभाव:

(१) प्लाझ्मा फवारणी:

संशोधन: ट्रिग्नन एट अल. 150 µm जाडी जमा करण्यासाठी प्लाझ्मा फवारणी वापरलीTaC कोटिंगग्रेफाइटच्या पृष्ठभागावर, त्याची उच्च-तापमान सहनशीलता लक्षणीयरीत्या वाढवते. फवारणीनंतरच्या कोटिंगमध्ये TaC0.85 आणि Ta2C असले तरी, 2000 डिग्री सेल्सिअस उच्च-तापमानाच्या उपचारानंतर ते क्रॅक न होता अबाधित राहिले.

(2) रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD):

संशोधन: Lv et al. CVD पद्धत वापरून ग्रेफाइट पृष्ठभागांवर C-TaC मल्टिफेज कोटिंग तयार करण्यासाठी TaCl5-Ar-C3H6 प्रणालीचा वापर केला. त्यांच्या अभ्यासातून असे दिसून आले की कोटिंगमध्ये कार्बनचे प्रमाण वाढल्याने घर्षण गुणांक कमी झाला, जे उत्कृष्ट पोशाख प्रतिरोध दर्शवते.

(३) स्लरी सिंटरिंग पद्धत:

संशोधन: शेन एट अल. TaCl5 आणि acetylacetone वापरून स्लरी तयार केली, जी त्यांनी ग्रेफाइट पृष्ठभागांवर लागू केली आणि नंतर उच्च-तापमान सिंटरिंग केली. परिणामीTaC कोटिंगकण अंदाजे 1 µm आकाराचे होते आणि 2000°C वर उपचारानंतर चांगली रासायनिक स्थिरता आणि उच्च-तापमान स्थिरता दर्शविली.

आकृती 1

आकृती 1a CVD पद्धतीद्वारे तयार केलेले TaC क्रूसिबल सादर करते, तर आकृती 1b आणि 1c क्रुसिबलची स्थिती अनुक्रमे MOCVD-GaN एपिटॅक्सियल ग्रोथ आणि AlN सबलिमेशन वाढीच्या स्थितीत स्पष्ट करते. या प्रतिमा दर्शवतात कीTaC कोटिंगअत्यंत तापमानात केवळ उत्कृष्ट पृथक्करण प्रतिरोध दर्शवत नाही तर उच्च-तापमानाच्या परिस्थितीत उच्च संरचनात्मक स्थिरता देखील राखते.

2. कार्बन फायबर सब्सट्रेट

कार्बन फायबरची वैशिष्ट्ये:

कार्बन फायबर उत्कृष्ट विद्युत चालकता, थर्मल चालकता, आम्ल आणि अल्कली गंज प्रतिकार आणि उच्च-तापमान स्थिरता यासह उच्च विशिष्ट शक्ती आणि उच्च विशिष्ट मॉड्यूलस द्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहे. तथापि, उच्च-तापमान ऑक्सिडेटिव्ह वातावरणात कार्बन फायबर हे उत्कृष्ट गुणधर्म गमावू शकतो.

ची भूमिकाटीएसी कोटिंग:

जमा करणे अTaC कोटिंगकार्बन फायबरच्या पृष्ठभागावर त्याचे ऑक्सिडेशन प्रतिरोध आणि किरणोत्सर्ग प्रतिरोधकता लक्षणीयरीत्या वाढवते, ज्यामुळे अत्यंत उच्च-तापमान वातावरणात त्याची उपयुक्तता सुधारते.

कोटिंग पद्धती आणि प्रभाव:

(1) रासायनिक वाष्प घुसखोरी (CVI):

संशोधन: चेन एट अल. जमा aTaC कोटिंगCVI पद्धत वापरून कार्बन फायबर वर. अभ्यासात असे आढळून आले की 950-1000 डिग्री सेल्सिअस तापमानात, TaC कोटिंग दाट रचना आणि उच्च तापमानात उत्कृष्ट ऑक्सिडेशन प्रतिरोध दर्शवते.

(२) सिटू प्रतिक्रिया पद्धतीमध्ये:

संशोधन: लिऊ आणि इतर. इन सिटू रिॲक्शन पद्धतीचा वापर करून सूती तंतूंवर TaC/PyC फॅब्रिक्स तयार केले. या कापडांनी अत्यंत उच्च इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक शील्डिंग परिणामकारकता (75.0 dB) दर्शविली, जी पारंपारिक PyC फॅब्रिक्स (24.4 dB) पेक्षा लक्षणीय आहे.

(३) वितळलेले मीठ पद्धत:

संशोधन: डोंग एट अल. तयार aTaC कोटिंगवितळलेल्या मीठ पद्धतीचा वापर करून कार्बन फायबरच्या पृष्ठभागावर. परिणामांनी दर्शविले की या कोटिंगने कार्बन फायबरच्या ऑक्सिडेशन प्रतिरोधनामध्ये लक्षणीय वाढ केली आहे.

आकृती 2

आकृती 2: आकृती 2 मूळ कार्बन तंतू आणि TaC-कोटेड कार्बन तंतूंच्या SEM प्रतिमा विविध परिस्थितींमध्ये, थर्मोग्रॅव्हिमेट्रिक विश्लेषण (TGA) वक्रांसह विविध कोटिंग परिस्थितीत तयार करते.

आकृती 2a: मूळ कार्बन तंतूंचे आकारविज्ञान प्रदर्शित करते.

आकृती 2b: 1000°C वर तयार केलेल्या TaC-कोटेड कार्बन तंतूंचे पृष्ठभाग आकारविज्ञान दाखवते, कोटिंग दाट आणि समान रीतीने वितरीत केले जाते.

आकृती 2c: TGA वक्र सूचित करतात कीTaC कोटिंगकार्बन तंतूंचा ऑक्सिडेशन प्रतिरोध लक्षणीयरीत्या वाढवते, 1100°C वर तयार केलेले कोटिंग उत्कृष्ट ऑक्सिडेशन प्रतिरोध दर्शवते.

3. C/C संमिश्र मॅट्रिक्स

C/C कंपोझिटची वैशिष्ट्ये:

C/C कंपोझिट हे कार्बन फायबर-प्रबलित कार्बन मॅट्रिक्स कंपोझिट आहेत, जे त्यांच्या उच्च विशिष्ट मॉड्यूलस आणि उच्च विशिष्ट शक्ती, चांगली थर्मल शॉक स्थिरता आणि उत्कृष्ट उच्च-तापमान गंज प्रतिरोध यासाठी ओळखले जातात. ते प्रामुख्याने एरोस्पेस, ऑटोमोटिव्ह आणि औद्योगिक उत्पादन क्षेत्रात वापरले जातात. तथापि, C/C संमिश्र उच्च-तापमान वातावरणात ऑक्सिडेशनसाठी प्रवण असतात आणि त्यांची प्लॅस्टिकिटी कमी असते, ज्यामुळे उच्च तापमानात त्यांचा वापर मर्यादित होतो.

ची भूमिकाटीएसी कोटिंग:

तयारी करत आहेTaC कोटिंगC/C कंपोझिटच्या पृष्ठभागावर त्यांचे पृथक्करण प्रतिरोध, थर्मल शॉक स्थिरता आणि यांत्रिक गुणधर्म लक्षणीयरीत्या सुधारू शकतात, ज्यामुळे अत्यंत परिस्थितीत त्यांच्या संभाव्य अनुप्रयोगाचा विस्तार होतो.

कोटिंग पद्धती आणि प्रभाव:

(१) प्लाझ्मा फवारणी पद्धत:

संशोधन: फेंग आणि इतर. सुपरसॉनिक ॲटमॉस्फेरिक प्लाझ्मा फवारणी (SAPS) पद्धतीचा वापर करून C/C कंपोझिटवर HfC-TaC संमिश्र कोटिंग तयार केले. या कोटिंग्सने 2.38 MW/m² च्या फ्लेम उष्मा प्रवाह घनतेखाली उत्कृष्ट पृथक्करण प्रतिरोध दर्शविला, ज्याचा वस्तुमान पृथक्करण दर केवळ 0.35 mg/s आणि रेखीय पृथक्करण दर 1.05 µm/s आहे, उच्च तापमानात उत्कृष्ट स्थिरता दर्शवते.

(२) सोल-जेल पद्धत:

संशोधन: तो आणि इतर. तयारTaC कोटिंग्जसोल-जेल पद्धतीचा वापर करून C/C कंपोझिटवर आणि त्यांना वेगवेगळ्या तापमानात सिंटर केले. अभ्यासातून असे दिसून आले की 1600 डिग्री सेल्सिअस तापमानात सिंटरिंग केल्यानंतर, कोटिंगने सतत आणि घनदाट स्तरित रचनासह, उत्कृष्ट पृथक्करण प्रतिरोध दर्शविला.

(३) रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD):

संशोधन: रेन एट अल. CVD पद्धतीद्वारे HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar प्रणाली वापरून C/C कंपोझिटवर Hf(Ta)C कोटिंग्ज जमा केले. प्रयोगांवरून असे दिसून आले की कोटिंगला सब्सट्रेटला मजबूत आसंजन होते आणि 120 सेकंदांच्या ज्वाला पृथक्करणानंतर, 1.32 µm/s च्या रेखीय पृथक्करण दरासह वस्तुमान पृथक्करण दर केवळ 0.97 mg/s होता, उत्कृष्ट पृथक्करण प्रतिकार दर्शवितो.

आकृती 3

आकृती 3 मल्टीलेयर PyC/SiC/TaC/PyC कोटिंग्ससह C/C कंपोझिटचे फ्रॅक्चर मॉर्फोलॉजी दर्शवते.

आकृती 3a: कोटिंगचे एकूण फ्रॅक्चर मॉर्फोलॉजी प्रदर्शित करते, जेथे कोटिंग्जची इंटरलेयर रचना पाहिली जाऊ शकते.

आकृती 3b: लेयर्समधील इंटरफेसची स्थिती दर्शविणारी कोटिंगची एक मोठी प्रतिमा आहे.

आकृती 3c: दोन भिन्न सामग्रीच्या इंटरफेसियल शिअर स्ट्रेंथ आणि फ्लेक्सरल स्ट्रेंथची तुलना करते, हे दर्शवते की मल्टीलेअर कोटिंग स्ट्रक्चर C/C कंपोझिटचे यांत्रिक गुणधर्म लक्षणीयरीत्या वाढवते.

4. CVD द्वारे तयार केलेल्या कार्बन-आधारित सामग्रीवर TaC कोटिंग्ज

CVD पद्धत उच्च-शुद्धता, दाट आणि एकसमान तयार करू शकतेTaC कोटिंग्जतुलनेने कमी तापमानात, इतर उच्च-तापमान तयारी पद्धतींमध्ये सामान्यतः दिसणारे दोष आणि क्रॅक टाळणे.

CVD पॅरामीटर्सचा प्रभाव:

(1) गॅस प्रवाह दर:

सीव्हीडी प्रक्रियेदरम्यान वायू प्रवाह दर समायोजित करून, पृष्ठभागाचे आकारविज्ञान आणि कोटिंगची रासायनिक रचना प्रभावीपणे नियंत्रित केली जाऊ शकते. उदाहरणार्थ, झांग आणि इतर. Ar वायू प्रवाह दराच्या परिणामाचा अभ्यास केलाTaC कोटिंगवाढ झाली आणि आढळले की एआर प्रवाह दर वाढल्याने धान्याची वाढ कमी होते, परिणामी लहान आणि अधिक एकसमान धान्य होते.

(२) डिपॉझिशन तापमान:

डिपॉझिशन तापमान पृष्ठभागाच्या आकारशास्त्र आणि कोटिंगच्या रासायनिक रचनेवर लक्षणीय परिणाम करते. सामान्यतः, उच्च निक्षेपण तापमान जमा होण्याच्या दरास गती देते परंतु अंतर्गत ताण देखील वाढवू शकते, ज्यामुळे क्रॅक तयार होतात. चेन इ. ते आढळलेTaC कोटिंग्ज800 डिग्री सेल्सिअस तापमानात तयार केलेल्या मध्ये कमी प्रमाणात मुक्त कार्बन असतो, तर 1000 डिग्री सेल्सिअस तापमानात, कोटिंग्जमध्ये प्रामुख्याने TaC क्रिस्टल्स असतात.

(३) निक्षेप दाब:

डिपॉझिशन प्रेशर प्रामुख्याने धान्याचा आकार आणि कोटिंगच्या जमा होण्याच्या दरावर परिणाम करतो. अभ्यास दर्शविते की जसजसे डिपॉझिशन प्रेशर वाढते, जमा होण्याचे प्रमाण लक्षणीयरीत्या सुधारते आणि धान्याचा आकार वाढतो, जरी कोटिंगची क्रिस्टल संरचना मोठ्या प्रमाणात अपरिवर्तित राहते.

आकृती 4

आकृती 5

आकृती 4 आणि 5 H2 प्रवाह दर आणि कोटिंग्जच्या रचना आणि धान्य आकारावर जमा तापमानाचा प्रभाव स्पष्ट करतात.

आकृती 4: च्या रचनावर विविध H2 प्रवाह दरांचा प्रभाव दर्शवितोTaC कोटिंग्ज850°C आणि 950°C वर. जेव्हा H2 प्रवाह दर 100 mL/min असतो, तेव्हा कोटिंगमध्ये प्रामुख्याने Ta2C च्या थोड्या प्रमाणात TaC असते. उच्च तापमानात, H2 च्या जोडणीमुळे लहान आणि अधिक एकसमान कण तयार होतात.

आकृती 5: पृष्ठभागाच्या आकारविज्ञानातील बदल आणि धान्य आकाराचे प्रात्यक्षिकTaC कोटिंग्जवेगवेगळ्या जमा तापमानात. जसजसे तापमान वाढते, तसतसे धान्याचा आकार हळूहळू वाढतो, गोलाकार ते पॉलीहेड्रल धान्यांमध्ये संक्रमण होते.

विकास ट्रेंड

सध्याची आव्हाने:

तरीTaC कोटिंग्जकार्बन-आधारित सामग्रीची कार्यक्षमता लक्षणीयरीत्या वाढवते, TaC आणि कार्बन सब्सट्रेटमधील थर्मल विस्तार गुणांकातील मोठ्या फरकामुळे उच्च तापमानात क्रॅक आणि स्पॅलिंग होऊ शकते. याव्यतिरिक्त, एकचTaC कोटिंगकाही अत्यंत परिस्थितीत अर्ज आवश्यकता पूर्ण करण्यात अजूनही कमी पडू शकते.

उपाय:

(१) संमिश्र कोटिंग प्रणाली:

एकाच कोटिंगमध्ये क्रॅक सील करण्यासाठी, मल्टीलेअर कंपोझिट कोटिंग सिस्टम वापरल्या जाऊ शकतात. उदाहरणार्थ, फेंग एट अल. SAPS पद्धतीचा वापर करून C/C कंपोझिटवर पर्यायी HfC-TaC/HfC-SiC कोटिंग्स तयार केले, ज्याने उच्च तापमानात उच्च पृथक्करण प्रतिरोध दर्शविला.

(२) ठोस सोल्युशन स्ट्रेंथनिंग कोटिंग सिस्टम:

HfC, ZrC, आणि TaC ची चेहरा-केंद्रित क्यूबिक क्रिस्टल रचना समान आहे आणि पृथक्करण प्रतिरोध वाढविण्यासाठी एकमेकांशी घन समाधान तयार करू शकतात. उदाहरणार्थ, वांग एट अल. CVD पद्धतीचा वापर करून Hf(Ta)C कोटिंग्स तयार केले, ज्याने उच्च-तापमानाच्या परिस्थितीत उत्कृष्ट पृथक्करण प्रतिकार दर्शविला.

(३) ग्रेडियंट कोटिंग सिस्टम:

ग्रेडियंट कोटिंग्स कोटिंग कंपोझिशनचे सतत ग्रेडियंट वितरण प्रदान करून एकंदर कार्यप्रदर्शन वाढवतात, ज्यामुळे अंतर्गत ताण कमी होतो आणि थर्मल विस्तार गुणांकांमध्ये जुळत नाही. ली आणि इतर. तयार केलेले TaC/SiC ग्रेडियंट कोटिंग्स ज्याने 2300°C तापमानात फ्लेम ॲब्लेशन चाचण्यांदरम्यान उत्कृष्ट थर्मल शॉक रेझिस्टन्स दाखवले, कोणतेही क्रॅकिंग किंवा स्पॅलिंग आढळले नाही.

आकृती 6

आकृती 6 वेगवेगळ्या रचनांसह संमिश्र कोटिंग्जचे पृथक्करण प्रतिरोध दर्शवते. आकृती 6b दर्शविते की पर्यायी कोटिंग स्ट्रक्चर्स उच्च तापमानात क्रॅक कमी करतात, इष्टतम पृथक्करण प्रतिरोध प्रदर्शित करतात. याउलट, आकृती 6c सूचित करते की एकाधिक इंटरफेसच्या उपस्थितीमुळे मल्टीलेयर कोटिंग्स उच्च तापमानात स्पॅलिंग होण्याची शक्यता असते.

निष्कर्ष आणि आउटलुक

हा पेपर पद्धतशीरपणे संशोधनाच्या प्रगतीचा सारांश देतोTaC कोटिंग्जग्रेफाइट, कार्बन फायबर आणि C/C कंपोझिटवर, CVD पॅरामीटर्सच्या प्रभावाची चर्चा करतेTaC कोटिंगकार्यप्रदर्शन, आणि वर्तमान समस्यांचे विश्लेषण करते.

अत्यंत परिस्थितीत कार्बन-आधारित सामग्रीच्या अनुप्रयोग आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी, पृथक्करण प्रतिरोध, ऑक्सिडेशन प्रतिरोध आणि TaC कोटिंग्जच्या उच्च-तापमान यांत्रिक स्थिरतेमध्ये आणखी सुधारणा करणे आवश्यक आहे. याव्यतिरिक्त, भविष्यातील संशोधनाने CVD TaC कोटिंग्सच्या तयारीतील प्रमुख मुद्द्यांचा शोध घेतला पाहिजे, ज्याच्या व्यावसायिक वापरामध्ये प्रगतीला प्रोत्साहन दिले पाहिजे.TaC कोटिंग्ज.**

---

आम्ही Semicorex येथे SiC/ मध्ये तज्ञ आहोतTaC लेपित ग्रेफाइट उत्पादनेआणि सेमीकंडक्टर मॅन्युफॅक्चरिंगमध्ये लागू केलेले CVD SiC तंत्रज्ञान, तुमच्याकडे काही चौकशी असल्यास किंवा अतिरिक्त तपशीलांची आवश्यकता असल्यास, कृपया आमच्याशी संपर्क साधण्यास अजिबात संकोच करू नका.

संपर्क फोन: +86-13567891907

ईमेल: sales@semicorex.com