การเคลือบคาร์บอนไพโรไลติก - เกราะคาร์บอนที่เติบโตจากแก๊ส

คาร์บอนไพโรไลติก บางครั้งเรียกว่าไพโรไลติกกราไฟท์ เป็นวัสดุที่สามารถแพร่กระจายได้ซึ่งอยู่ตรงกลางระหว่างกราไฟท์และคาร์บอนอสัณฐาน เกิดขึ้นจากกระบวนการสะสมไอสารเคมีของก๊าซที่มีคาร์บอน (ส่วนใหญ่เป็นก๊าซไฮโดรคาร์บอน) ที่อุณหภูมิสูงบนพื้นผิวของสารตั้งต้น (ตามหลักอุณหพลศาสตร์ กราไฟต์คือวัสดุคาร์บอนแข็งที่มีพลังงานอิสระกิ๊บส์ต่ำที่สุด)

01 การสะสมของไพโรไลติกคาร์บอนและไอสารเคมี

กระบวนการสร้างสารเคลือบแข็งโดยสารประกอบตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาทางเคมีภายใต้สภาวะกระบวนการเฉพาะและสะสมไว้บนพื้นผิวของสารตั้งต้นที่จะเคลือบเรียกว่าการสะสมไอสารเคมี แผนผังของขั้นตอนหลักของกระบวนการสะสมไอสารเคมีแสดงไว้ด้านล่าง:

(1) สารตั้งต้นเข้าสู่โซนปฏิกิริยา

(2) สารตั้งต้นผ่านปฏิกิริยาเฟสก๊าซเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ขั้นกลาง

ก. เมื่ออุณหภูมิในโซนปฏิกิริยาสูงหรือในบริเวณที่ห่างไกลจากสารตั้งต้นที่เกิดการสะสม ผลิตภัณฑ์ขั้นกลางจะยังคงเกิดปฏิกิริยาในสถานะก๊าซ โดยก่อตัวเป็นผงของแข็งและผลพลอยได้จากการระเหยในสถานะก๊าซ ก. ผงแข็งที่กระจัดกระจายบนพื้นผิวของสารตั้งต้นที่สะสมอาจกลายเป็นบริเวณที่เกิดนิวเคลียสสำหรับการสะสมที่พื้นผิว และผลพลอยได้จากการระเหยจะกระจายออกไปจากโซนปฏิกิริยา

ข. เมื่ออุณหภูมิในโซนปฏิกิริยาต่ำหรือในบริเวณใกล้กับสารตั้งต้นที่เกิดการสะสม ผลิตภัณฑ์ขั้นกลางจะกระจายบนพื้นผิวของสารตั้งต้น และขั้นตอนต่อไปนี้จะเกิดขึ้น:

(3) ผลิตภัณฑ์ระดับกลางดูดซับลงบนพื้นผิวของสารตั้งต้น โดยเกิดปฏิกิริยาต่างกันเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานสะสมและผลิตภัณฑ์พลอยได้

(4) ผลิตภัณฑ์ออกฤทธิ์ที่สะสมจะกระจายบนพื้นผิวของสารตั้งต้นที่สะสมจนกลายเป็นสารเคลือบต่อเนื่อง

(5) ผลพลอยได้จากเฟสก๊าซออกจากพื้นที่ใกล้กับสารตั้งต้นที่สะสม

(6) ก๊าซวัตถุดิบที่ไม่ทำปฏิกิริยาและผลพลอยได้จากปฏิกิริยาออกจากโซนปฏิกิริยา

การก่อตัวของไพโรไลติกคาร์บอนเป็นกระบวนการลดเอนโทรปีที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ โดยอะตอมของคาร์บอนเปลี่ยนจากความผิดปกติตามลำดับและจากสถานะก๊าซไปเป็นสถานะของแข็งที่อุณหภูมิสูง มันถูกควบคุมโดยทิศทางสูงสุดของอุณหพลศาสตร์เคมี แต่ยังคงรักษาโครงสร้างจุลภาคที่ไม่สมดุลผ่านวิถีทางจลน์ ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับกระบวนการนี้ไม่เพียงแต่วางรากฐานวัสดุสำหรับคอมโพสิตคาร์บอน-คาร์บอน การเคลือบอุณหภูมิสูง และการหุ้มเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ แต่ยังให้กระบวนทัศน์คู่ของกรอบการทดลองและทฤษฎีสำหรับการดำรงอยู่ของคาร์บอนภายใต้สภาวะที่รุนแรง

02 กระบวนการเตรียมและการใช้ไพโรไลติกคาร์บอน

ไพโรไลติกคาร์บอนถูกเตรียมโดยไพโรไลซิสที่อุณหภูมิสูงของไฮโดรคาร์บอนในสภาพแวดล้อมที่ปราศจากออกซิเจนที่อุณหภูมิ 1200-1400 ℃ มีการใช้เครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดแนวตั้ง และกระบวนการเกี่ยวข้องกับขั้นตอนต่อไปนี้: ปล่อยก๊าซเฉื่อย (ไนโตรเจนหรือฮีเลียม) จากด้านล่างของท่อปฏิกิริยาเพื่อทำให้อนุภาคทนไฟกลายเป็นของเหลว ขดลวดเหนี่ยวนำภายนอกให้ความร้อนแก่เนื้อหาของหลอดปฏิกิริยา และเติมก๊าซไฮโดรคาร์บอนเพื่อเริ่มปฏิกิริยาไพโรไลซิส

ส่วนใหญ่จะใช้ไพโรไลติกคาร์บอนเป็นสารเคลือบป้องกันอุณหภูมิสูง สำหรับลิ้นหัวใจ สารเคลือบชีววัสดุ และสารเคลือบป้องกันสำหรับทรงกลมเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการป้องกันสนามความร้อน การใช้พลังงานนิวเคลียร์ และชีวเวชศาสตร์

03 การเคลือบป้องกันอุณหภูมิสูงสำหรับไพโรไลติกคาร์บอน

ซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุด มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเซลล์แสงอาทิตย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในซิลิคอนแบบผลึกสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกสูงทำให้เป็นส่วนประกอบหลัก วิธี Czochralski ใช้สำหรับการเตรียมซิลิคอนผลึกเดี่ยวเป็นหลัก วิธีการนี้มีประสิทธิภาพการผลิตสูง กระบวนการเติบโตที่ควบคุมได้ และข้อได้เปรียบในการควบคุมสารต้องห้าม จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตซิลิคอนผลึกเดี่ยวทั้งในประเทศและต่างประเทศ อย่างไรก็ตาม เมื่อขนาดคริสตัลเพิ่มขึ้น ต้นทุนของสนามความร้อนของกราไฟท์ก็จะค่อยๆ เพิ่มขึ้นเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มีไอซิลิคอน ส่วนประกอบของกราไฟท์นั้นไวต่อการกัดกร่อน ส่งผลให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์สั้นลง เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยได้พัฒนาการเคลือบที่ทนต่อการกัดกร่อนสำหรับวัสดุคาร์บอน เช่น คาร์บอนไพโรไลติก (PyC) ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และการเคลือบแทนทาลัมคาร์ไบด์ (TaC) เพื่อปรับปรุงอายุการใช้งานของวัสดุคาร์บอนในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง

Cao ศึกษาการกัดกร่อนของซิลิไซด์ของกราไฟท์ G330 และคอมโพสิต AC200C/C ที่ใช้ในเตาหลอมซิลิกอนผลึกเดี่ยว พวกเขาสรุปว่ารูพรุนที่เปิดขยายจากด้านในของกราไฟท์ไปจนถึงพื้นผิวเป็นช่องทางสำหรับการกัดเซาะและการแพร่กระจายของซิลิคอนหลอมเหลว ซึ่งจะช่วยเร่งกระบวนการซิลิไซด์ของวัสดุคาร์บอน

Zhao ฝากสารเคลือบไพโรไลติกคาร์บอน (PyC) ไว้บนพื้นผิวกราไฟท์โดยใช้การสะสมไอสารเคมี ผลลัพธ์ที่ได้คือการเคลือบ PyC ครอบคลุมซับสเตรตของกราไฟท์อย่างสมบูรณ์ และมีโครงสร้างหนาแน่นโดยไม่มีความพรุนหรือรอยแตกขนาดเล็กมาก หลังจากบำบัดวัสดุกราไฟท์ที่เคลือบในสภาพแวดล้อมการกัดด้วยไอซิลิคอนที่อุณหภูมิ 1600°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง สัณฐานวิทยาหน้าตัดของการเคลือบและผลการทดสอบ EDX จะแสดงในรูปด้านล่าง รูปที่ a แสดงให้เห็นว่าแม้หลังจากการแกะสลักด้วยซิลิคอนแล้ว สารเคลือบยังคงเกาะติดแน่นกับพื้นผิวของพื้นผิวโดยไม่มีรอยแตกที่เห็นได้ชัดเจน การกระจายตัวของธาตุคาร์บอนและซิลิคอนบนพื้นผิวแสดงให้เห็นว่าแทบไม่มีการกระจายตัวของซิลิคอนภายใต้การเคลือบ PyC ซึ่งบ่งชี้ถึงประสิทธิภาพการป้องกันที่ดีเยี่ยมบนพื้นผิวกราไฟท์

รูปภาพ - สัณฐานวิทยาหน้าตัดของกราไฟท์เคลือบ PyC หลังจากการกัดด้วยซิลิคอน

Semicorex จำหน่ายส่วนประกอบการเคลือบ TyC/SiC/TaC แบบกำหนดเองคุณภาพสูงที่ใช้ในเซมิคอนดักเตอร์ สำหรับโซลูชันที่ปรับแต่งเองหรือข้อมูลทางเทคนิคเพิ่มเติม โปรดติดต่อทีมวิศวกรของเรา

โทรศัพท์: +86-13567891907

อีเมล์: sales@semicorex.com