Pyrolytisk kolbeläggning - kolpansar odlad från gas

Pyrolytiskt kol, ibland kallat pyrolytisk grafit, är ett metastabilt material mellan grafit och amorft kol, bildat av den kemiska ångavsättningsprocessen av kolinnehållande gaser (främst kolvätegaser) vid höga temperaturer på ytan av ett substrat. (Termodynamiskt sett är grafit det fasta kolmaterialet med lägst Gibbs fria energi.)

01 Pyrolytisk kol och kemisk ångavsättning

Processen att bilda en fast beläggning genom att kemiskt reagera prekursorföreningar under specifika processbetingelser och avsätta dem på ytan av substratet som ska beläggas kallas kemisk ångavsättning. Ett schematiskt diagram över huvudstegen i den kemiska ångavsättningsprocessen visas nedan:

(1) Prekursorn kommer in i reaktionszonen;

(2) Prekursorn genomgår en gasfasreaktion för att bilda mellanprodukter;

a. När temperaturen i reaktionszonen är hög eller i ett område långt från avsättningssubstratet, fortsätter mellanprodukterna att genomgå en gasfasreaktion och bildar fast pulver och flyktiga biprodukter i gasfasen. a. Fast pulver som sprids på ytan av avsättningssubstratet kan bli kärnbildningsställen för ytavsättning, och flyktiga biprodukter diffunderar bort från reaktionszonen;

b. När temperaturen i reaktionszonen är låg eller i området nära deponeringssubstratet, diffunderar mellanprodukter på substratets yta, och följande steg inträffar:

(3) Mellanprodukter adsorberas på substratytan och genomgår en heterogen reaktion för att producera avsättningsaktiva produkter och biprodukter;

(4) Avsättningsaktiva produkter diffunderar på ytan av avsättningssubstratet och ackumuleras för att bilda en kontinuerlig beläggning;

(5) Gasfasbiprodukter lämnar området nära deponeringssubstratet;

(6) Oreagerade råmaterialgaser och reaktionsbiprodukter lämnar reaktionszonen.

Bildandet av pyrolytiskt kol är en irreversibel entropi-reduktionsprocess där kolatomer ändras från oordning till ordning och från ett gasformigt tillstånd till ett fast tillstånd vid höga temperaturer. Det styrs av den ultimata riktningen av kemisk termodynamik, men behåller ändå en icke-jämviktsmikrostruktur genom kinetiska vägar. En djup förståelse för denna process lägger inte bara materialgrunden för kol-kol-kompositer, högtemperaturbeläggningar och kärnbränslekapsling, utan ger också ett dubbelt paradigm av experimentella och teoretiska ramar för förekomsten av kol under extrema förhållanden.

02 Beredningsprocess och applicering av pyrolytiskt kol

Pyrolytiskt kol framställs genom högtemperaturpyrolys av kolväten i en syrefri miljö vid 1200-1400 ℃. En vertikal reaktor med fluidiserad bädd används, och processen innefattar följande steg: en inert gas (kväve eller helium) införs från botten av reaktionsröret för att fluidisera de eldfasta partiklarna; en extern induktionsspole värmer innehållet i reaktionsröret; och kolvätegaser tillsätts för att initiera pyrolysreaktionen.

Pyrolytiskt kol används huvudsakligen som en högtemperaturskyddande beläggning, för hjärtklaffar, biomaterialbeläggningar och skyddsbeläggningar för kärnreaktorbränslesfärer, och används i stor utsträckning inom termiskt fältskydd, kärnenergianvändning och biomedicin.

03 Högtemperaturskyddsbeläggning för pyrolytiskt kol

Kisel, som det vanligaste halvledarmaterialet, används i stor utsträckning inom elektronik och solceller, särskilt i kristallint kisel för solceller, där dess höga fotoelektriska omvandlingseffektivitet gör det till en kärnkomponent. Czochralski-metoden används främst för framställning av enkristallkisel. Denna metod, med sin höga produktionseffektivitet, kontrollerbara tillväxtprocess och fördelar med dopningskontroll, används i stor utsträckning i enkristallkiselproduktion både nationellt och internationellt. Emellertid, när kristallstorleken ökar, ökar också kostnaden för det termiska grafitfältet gradvis. Speciellt i miljön med kiselånga är grafitkomponenter känsliga för korrosion, vilket leder till en förkortad utrustningslivslängd. För att ta itu med dessa frågor har forskare utvecklat korrosionsbeständiga beläggningar för kolmaterial, såsom pyrolytiskt kol (PyC), kiselkarbid (SiC) och tantalkarbid (TaC) beläggningar, för att förbättra livslängden för kolmaterial i korrosiva miljöer med hög temperatur.

Cao studerade silicidkorrosionen av G330-grafit och AC200C/C-kompositer som används i enkristallkiselugnar. De drog slutsatsen att de öppna porerna som sträcker sig från det inre av grafit till ytan tillhandahåller kanaler för erosion och diffusion av smält kisel, vilket påskyndar silicidprocessen av kolmaterial.

Zhao avsatte en beläggning av pyrolytisk kol (PyC) på grafitytan med hjälp av kemisk ångavsättning. Den resulterande PyC-beläggningen täckte grafitsubstratet fullständigt och uppvisade en tät struktur utan betydande porositet eller genomträngande mikrosprickor. Efter behandling av det belagda grafitmaterialet i en kiselångetsningsmiljö vid 1600 ℃ i 2 timmar, visas tvärsnittsmorfologin för beläggningen och EDX-testresultaten i figuren nedan. Figur a visar att även efter silikonetsning förblir beläggningen tätt vidhäftad till substratytan utan uppenbara sprickor. Elementarfördelningen av kol och kisel på ytan visar nästan ingen kiselfördelning under PyC-beläggningen, vilket indikerar dess utmärkta skyddande effekt på grafitsubstratet.

Figur - Tvärsnittsmorfologi av PyC-belagd grafit efter silikonetsning

Semicorex levererar högkvalitativa skräddarsydda TyC/SiC/TaC-beläggningskomponenter applicerade i halvledare. För skräddarsydda lösningar eller ytterligare teknisk information, kontakta gärna vårt ingenjörsteam.

Telefon: +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com