Пиролитическое углеродное покрытие — углеродная броня, выращенная из газа

Пиролитический углерод, иногда называемый пиролитическим графитом, представляет собой метастабильный материал, промежуточный между графитом и аморфным углеродом, образующийся в процессе химического осаждения из паровой фазы углеродсодержащих газов (в основном углеводородных газов) при высоких температурах на поверхности подложки. (Термодинамически графит представляет собой твердый углеродный материал с наименьшей свободной энергией Гиббса.)

01 Пиролитический углерод и химическое осаждение из паровой фазы

Процесс формирования твердого покрытия путем химической реакции соединений-предшественников в определенных технологических условиях и нанесения их на поверхность подложки, на которую будет нанесено покрытие, называется химическим осаждением из паровой фазы. Схематическая диаграмма основных этапов процесса химического осаждения из паровой фазы показана ниже:

(1) Прекурсор попадает в зону реакции;

(2) Прекурсор подвергается газофазной реакции с образованием промежуточных продуктов;

а. Когда температура в зоне реакции высока или в области, удаленной от подложки осаждения, промежуточные продукты продолжают подвергаться газофазной реакции, образуя твердый порошок и летучие побочные продукты в газовой фазе. а. Твердый порошок, рассеянный на поверхности подложки для осаждения, может стать местом зарождения поверхностного осаждения, а летучие побочные продукты диффундируют из зоны реакции;

б. При низкой температуре в зоне реакции или в зоне, близкой к подложке осаждения, промежуточные продукты диффундируют по поверхности подложки и происходят следующие стадии:

(3) Промежуточные продукты адсорбируются на поверхности подложки, вступая в гетерогенную реакцию с образованием активных продуктов осаждения и побочных продуктов;

(4) Активные продукты осаждения диффундируют по поверхности подложки для осаждения, накапливаясь с образованием сплошного покрытия;

(5) Побочные продукты газовой фазы покидают область вблизи подложки осаждения;

(6) Непрореагировавшие сырьевые газы и побочные продукты реакции покидают зону реакции.

Образование пиролитического углерода представляет собой необратимый процесс уменьшения энтропии, при котором атомы углерода переходят из беспорядка в порядок и из газообразного состояния в твердое состояние при высоких температурах. Он определяется основным направлением химической термодинамики, но сохраняет неравновесную микроструктуру за счет кинетических путей. Глубокое понимание этого процесса не только закладывает материальную основу для углерод-углеродных композитов, высокотемпературных покрытий и оболочек ядерного топлива, но также обеспечивает двойную парадигму экспериментальных и теоретических основ существования углерода в экстремальных условиях.

02 Процесс приготовления и применение пиролитического углерода

Пиролитический углерод получают высокотемпературным пиролизом углеводородов в бескислородной среде при 1200-1400℃. Используется вертикальный реактор с псевдоожиженным слоем, и процесс включает следующие этапы: инертный газ (азот или гелий) вводится со дна реакционной трубы для псевдоожижения тугоплавких частиц; внешняя индукционная катушка нагревает содержимое реакционной трубки; и углеводородные газы добавляются для инициирования реакции пиролиза.

Пиролитический углерод в основном используется в качестве высокотемпературного защитного покрытия, для сердечных клапанов, покрытий из биоматериалов и защитных покрытий топливных сфер ядерных реакторов, а также широко применяется в защите тепловых полей, использовании ядерной энергии и биомедицине.

03 Высокотемпературное защитное покрытие для пиролитического углерода

Кремний, как наиболее распространенный полупроводниковый материал, широко используется в электронике и фотоэлектрической технике, особенно в кристаллическом кремнии для солнечных элементов, где его высокая эффективность фотоэлектрического преобразования делает его основным компонентом. Метод Чохральского в основном используется для получения монокристаллического кремния. Этот метод, обладающий высокой эффективностью производства, контролируемым процессом роста и преимуществами легирующего контроля, широко используется в производстве монокристаллического кремния как внутри страны, так и за рубежом. Однако по мере увеличения размера кристаллов стоимость теплового поля графита также постепенно увеличивается. Графитовые компоненты особенно подвержены коррозии в среде паров кремния, что приводит к сокращению срока службы оборудования. Чтобы решить эти проблемы, исследователи разработали коррозионностойкие покрытия для углеродных материалов, такие как покрытия из пиролитического углерода (PyC), карбида кремния (SiC) и карбида тантала (TaC), чтобы продлить срок службы углеродных материалов в высокотемпературных агрессивных средах.

Цао изучал силицидную коррозию графита G330 и композитов AC200C/C, используемых в печах монокристаллического кремния. Они пришли к выводу, что открытые поры, простирающиеся изнутри графита к поверхности, обеспечивают каналы для эрозии и диффузии расплавленного кремния, ускоряя процесс силицида углеродных материалов.

Чжао нанес покрытие из пиролитического углерода (PyC) на поверхность графита с помощью химического осаждения из паровой фазы. Полученное PyC-покрытие полностью покрывало графитовую подложку и имело плотную структуру без значительной пористости и сквозных микротрещин. После обработки графитового материала с покрытием в среде травления парами кремния при температуре 1600 ℃ в течение 2 часов морфология поперечного сечения покрытия и результаты испытаний EDX показаны на рисунке ниже. На рис. а видно, что даже после травления кремния покрытие остается прочно сцепленным с поверхностью подложки без явных трещин. Распределение элементов углерода и кремния на поверхности почти не показывает распределения кремния под покрытием PyC, что указывает на его превосходное защитное действие на графитовую подложку.

Рисунок – Морфология поперечного сечения графита с покрытием PyC после травления кремния

Semicorex поставляет высококачественные компоненты с покрытиями TyC/SiC/TaC, применяемыми в полупроводниках. Для получения индивидуальных решений или дополнительной технической информации, пожалуйста, свяжитесь с нашей командой инженеров.

Телефон: +86-13567891907

Электронная почта: sales@semicorex.com