Lớp phủ cacbon nhiệt phân - Áo giáp cacbon sinh ra từ khí đốt

Carbon nhiệt phân, đôi khi được gọi là than chì nhiệt phân, là vật liệu siêu bền trung gian giữa than chì và carbon vô định hình, được hình thành bởi quá trình lắng đọng hơi hóa học của các khí chứa carbon (chủ yếu là khí hydrocarbon) ở nhiệt độ cao trên bề mặt chất nền. (Về mặt nhiệt động lực học, than chì là vật liệu cacbon rắn có năng lượng tự do Gibbs thấp nhất.)

01 Lắng đọng cacbon nhiệt phân và hơi hóa học

Quá trình hình thành một lớp phủ rắn bằng các hợp chất tiền chất phản ứng hóa học trong các điều kiện quy trình cụ thể và lắng đọng chúng trên bề mặt chất nền cần phủ được gọi là lắng đọng hơi hóa học. Dưới đây là sơ đồ các bước chính của quá trình lắng đọng hơi hóa học:

(1) Tiền chất đi vào vùng phản ứng;

(2) Tiền chất trải qua phản ứng ở pha khí để tạo thành sản phẩm trung gian;

Một. Khi nhiệt độ ở vùng phản ứng cao hoặc ở vùng xa chất nền lắng đọng, các sản phẩm trung gian tiếp tục trải qua phản ứng ở pha khí, tạo thành bột rắn và các sản phẩm phụ dễ bay hơi trong pha khí. Một. Bột rắn rải rác trên bề mặt chất nền lắng đọng có thể trở thành vị trí tạo mầm cho sự lắng đọng bề mặt và các sản phẩm phụ dễ bay hơi khuếch tán ra khỏi vùng phản ứng;

b. Khi nhiệt độ trong vùng phản ứng thấp hoặc ở khu vực gần chất nền lắng đọng, các sản phẩm trung gian sẽ khuếch tán trên bề mặt chất nền và xảy ra các bước sau:

(3) Sản phẩm trung gian hấp phụ lên bề mặt đế, trải qua phản ứng không đồng nhất tạo ra sản phẩm hoạt tính lắng đọng và sản phẩm phụ;

(4) Các sản phẩm hoạt tính lắng đọng khuếch tán trên bề mặt chất nền lắng đọng, tích tụ tạo thành lớp phủ liên tục;

(5) Sản phẩm phụ ở pha khí rời khỏi khu vực gần chất nền lắng đọng;

(6) Khí nguyên liệu thô chưa phản ứng và các sản phẩm phụ của phản ứng rời khỏi vùng phản ứng.

Sự hình thành cacbon nhiệt phân là một quá trình khử entropy không thuận nghịch, trong đó các nguyên tử cacbon thay đổi từ trạng thái hỗn loạn sang trạng thái trật tự và từ trạng thái khí sang trạng thái rắn ở nhiệt độ cao. Nó bị chi phối bởi hướng cuối cùng của nhiệt động lực học hóa học, nhưng vẫn giữ được cấu trúc vi mô không cân bằng thông qua các con đường động học. Sự hiểu biết sâu sắc về quá trình này không chỉ đặt nền tảng vật chất cho vật liệu tổng hợp cacbon-cacbon, lớp phủ nhiệt độ cao và lớp bọc nhiên liệu hạt nhân mà còn cung cấp một mô hình kép về khuôn khổ lý thuyết và thực nghiệm cho sự tồn tại của cacbon trong những điều kiện khắc nghiệt.

02 Quy trình điều chế và ứng dụng Carbon nhiệt phân

Carbon nhiệt phân được điều chế bằng cách nhiệt phân hydrocarbon ở nhiệt độ cao trong môi trường không có oxy ở 1200-1400oC. Một lò phản ứng tầng sôi thẳng đứng được sử dụng và quy trình này bao gồm các bước sau: khí trơ (nitơ hoặc heli) được đưa vào từ đáy ống phản ứng để hóa lỏng các hạt chịu lửa; một cuộn dây cảm ứng bên ngoài làm nóng chất chứa trong ống phản ứng; và khí hydrocarbon được thêm vào để bắt đầu phản ứng nhiệt phân.

Carbon nhiệt phân chủ yếu được sử dụng làm lớp phủ bảo vệ nhiệt độ cao cho van tim, lớp phủ vật liệu sinh học và lớp phủ bảo vệ cho quả cầu nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân và được ứng dụng rộng rãi trong bảo vệ trường nhiệt, sử dụng năng lượng hạt nhân và y sinh.

03 Lớp phủ bảo vệ nhiệt độ cao cho Carbon nhiệt phân

Silicon, là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong điện tử và quang điện, đặc biệt là silicon tinh thể cho pin mặt trời, nơi hiệu suất chuyển đổi quang điện cao khiến nó trở thành thành phần cốt lõi. Phương pháp Czochralski chủ yếu được sử dụng để điều chế silicon đơn tinh thể. Phương pháp này với hiệu suất sản xuất cao, quá trình tăng trưởng có thể kiểm soát và ưu điểm kiểm soát doping, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất silicon đơn tinh thể cả trong nước và quốc tế. Tuy nhiên, khi kích thước tinh thể tăng lên, giá thành của trường nhiệt than chì cũng tăng dần. Đặc biệt trong môi trường hơi silicon, các thành phần than chì dễ bị ăn mòn, dẫn đến tuổi thọ thiết bị bị rút ngắn. Để giải quyết những vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển lớp phủ chống ăn mòn cho vật liệu cacbon, chẳng hạn như lớp phủ cacbon nhiệt phân (PyC), cacbua silic (SiC) và cacbua tantalum (TaC), để cải thiện tuổi thọ của vật liệu cacbon trong môi trường ăn mòn ở nhiệt độ cao.

Cao đã nghiên cứu sự ăn mòn silic của than chì G330 và vật liệu tổng hợp AC200C/C được sử dụng trong lò nung silicon đơn tinh thể. Họ kết luận rằng các lỗ mở kéo dài từ bên trong than chì đến bề mặt cung cấp các kênh cho sự ăn mòn và khuếch tán silicon nóng chảy, đẩy nhanh quá trình silicide của vật liệu carbon.

Zhao phủ một lớp cacbon nhiệt phân (PyC) lên bề mặt than chì bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học. Lớp phủ PyC thu được bao phủ hoàn toàn chất nền than chì và thể hiện một cấu trúc dày đặc không có độ xốp đáng kể hoặc các vết nứt vi mô xuyên thấu. Sau khi xử lý vật liệu than chì được phủ trong môi trường khắc hơi silicon ở 1600oC trong 2 giờ, hình thái cắt ngang của lớp phủ và kết quả thử nghiệm EDX được thể hiện trong hình bên dưới. Hình a cho thấy ngay cả sau khi ăn mòn silicon, lớp phủ vẫn bám chặt vào bề mặt chất nền mà không có vết nứt rõ ràng. Sự phân bố nguyên tố carbon và silicon trên bề mặt cho thấy hầu như không có sự phân bố silicon dưới lớp phủ PyC, cho thấy tác dụng bảo vệ tuyệt vời của nó đối với chất nền than chì.

Hình - Hình thái mặt cắt ngang của than chì được phủ PyC sau khi ăn mòn silicon

Semicorex cung cấp các thành phần lớp phủ TyC/SiC/TaC tùy chỉnh chất lượng cao ứng dụng trong chất bán dẫn. Để biết các giải pháp tùy chỉnh hoặc thông tin kỹ thuật bổ sung, vui lòng liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôi.

Điện thoại: +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com