Cerâmica de carboneto de tântalo – um material chave em semicondutores e aeroespacial.

Carboneto de tântalo (TaC)é um material cerâmico de temperatura ultra-alta. Cerâmicas de temperatura ultra-alta (UHTCs) geralmente se referem a materiais cerâmicos com pontos de fusão superiores a 3.000 ℃ e usados ​​em ambientes corrosivos e de alta temperatura (como ambientes de átomos de oxigênio) acima de 2.000 ℃, como ZrC, HfC, TaC, HfB2, ZrB2 e HfN.

O carboneto de tântalo tem um ponto de fusão tão alto quanto 3880 ℃, alta dureza (dureza Mohs 9–10), uma condutividade térmica relativamente alta (22 W·m⁻¹·K⁻¹), alta resistência à flexão (340–400 MPa) e um coeficiente de expansão térmica relativamente baixo (6,6 × 10⁻⁶ K⁻¹). Também exibe excelente estabilidade termoquímica e propriedades físicas superiores, além de boa compatibilidade química e mecânica com grafite e compósitos C/C. Portanto, os revestimentos TaC são amplamente utilizados na proteção térmica aeroespacial, crescimento de cristais únicos, eletrônica de energia e dispositivos médicos.

Aplicações em equipamentos semicondutores

Atualmente, os semicondutores de banda larga, representados pelo carboneto de silício (SiC), são uma indústria estratégica que serve o principal campo de batalha económico e responde às principais necessidades nacionais. No entanto, os semicondutores SiC também são uma indústria com processos complexos e requisitos de equipamento extremamente elevados. Dentre esses processos, a preparação do monocristalino de SiC é o elo mais fundamental e crucial em toda a cadeia industrial.

Atualmente, o método mais comumente utilizado para o crescimento de cristais de SiC é o método de Transporte Físico de Vapor (PVT). No PVT, o pó de carboneto de silício é aquecido em uma câmara de crescimento selada a temperaturas acima de 2.300°C e pressão próxima ao vácuo por meio de aquecimento por indução. Isso faz com que o pó sublime, gerando um gás reativo contendo diferentes componentes gasosos, como Si, Si₂C e SiC₂. Esta reação gás-sólido gera uma fonte de reação de cristal único de SiC. Um cristal de semente de SiC é colocado no topo da câmara de crescimento. Impulsionados pela supersaturação dos componentes gasosos, os componentes gasosos transportados para o cristal semente são depositados atomicamente na superfície do cristal semente, crescendo em um único cristal SiC.

Este processo tem um longo ciclo de crescimento, é difícil de controlar e está sujeito a defeitos como microtubos e inclusões. Controlar defeitos é crucial; mesmo pequenos ajustes ou desvios no campo térmico do forno podem alterar o crescimento do cristal ou aumentar os defeitos. Os estágios posteriores apresentam o desafio de obter cristais mais rápidos, mais espessos e maiores, exigindo não apenas avanços teóricos e de engenharia, mas também materiais de campo térmico mais sofisticados.

Os materiais do cadinho no campo térmico incluem principalmente grafite e grafite porosa. No entanto, a grafite é facilmente oxidada em altas temperaturas e corroída por metais fundidos. O TaC possui excelente estabilidade termoquímica e propriedades físicas superiores, exibindo boa compatibilidade química e mecânica com o grafite. A preparação de um revestimento TaC na superfície de grafite aumenta efetivamente sua resistência à oxidação, resistência à corrosão, resistência ao desgaste e propriedades mecânicas. É particularmente adequado para o cultivo de monocristais GaN ou AlN em equipamentos MOCVD e monocristais SiC em equipamentos PVT, melhorando significativamente a qualidade dos monocristais cultivados.

Além disso, durante a preparação de monocristais de carboneto de silício, após a fonte de reação de cristal único de carboneto de silício ser gerada através de uma reação sólido-gás, a razão estequiométrica Si/C varia com a distribuição do campo térmico. É necessário garantir que os componentes da fase gasosa sejam distribuídos e transportados de acordo com o campo térmico e o gradiente de temperatura projetados. A grafite porosa tem permeabilidade insuficiente, necessitando de poros adicionais para aumentá-la. No entanto, a grafite porosa com alta permeabilidade enfrenta desafios como processamento, derramamento de pó e ataque químico. A cerâmica porosa de carboneto de tântalo pode alcançar melhor a filtragem dos componentes da fase gasosa, ajustar os gradientes de temperatura locais, orientar a direção do fluxo do material e controlar o vazamento.

PorqueRevestimentos TaCexibem excelente resistência a ácidos e álcalis a H2, HCl e NH3, na cadeia da indústria de semicondutores de carboneto de silício, o TaC também pode proteger completamente o material da matriz de grafite e purificar o ambiente de crescimento durante processos epitaxiais, como MOCVD.

Aplicações na Aeroespacial

À medida que as aeronaves modernas, tais como veículos aeroespaciais, foguetes e mísseis, se desenvolvem para alta velocidade, alto empuxo e alta altitude, os requisitos para a resistência a altas temperaturas e resistência à oxidação dos seus materiais de superfície sob condições extremas estão se tornando cada vez mais rigorosos. Quando uma aeronave entra na atmosfera, ela enfrenta ambientes extremos, como alta densidade de fluxo de calor, alta pressão de estagnação e alta velocidade de lavagem do fluxo de ar, ao mesmo tempo que enfrenta ablação química devido a reações com oxigênio, vapor de água e dióxido de carbono. Durante a entrada e saída de uma aeronave da atmosfera, o ar ao redor do cone do nariz e das asas é submetido a intensa compressão, gerando atrito significativo com a superfície da aeronave, fazendo com que ela seja aquecida pelo fluxo de ar. Além do aquecimento aerodinâmico durante o voo, a superfície da aeronave também é afetada pela radiação solar e ambiental, fazendo com que a temperatura da superfície aumente continuamente. Esta alteração pode afetar seriamente a vida útil da aeronave.

TaC é um membro da família de cerâmicas resistentes a temperaturas ultra-altas. Seu alto ponto de fusão e excelente estabilidade termodinâmica tornam o TaC amplamente utilizado em peças quentes de aeronaves, como na proteção do revestimento superficial de bicos de motores de foguetes.

Outras aplicações

O TaC também tem amplas perspectivas de aplicação em ferramentas de corte, materiais abrasivos, materiais eletrônicos e catalisadores. Por exemplo, adicionar TaC ao metal duro pode inibir o crescimento do grão, aumentar a dureza e melhorar a vida útil. O TaC possui boa condutividade elétrica e pode formar compostos não estequiométricos, com condutividade variando dependendo da composição. Esta característica torna o TaC um candidato promissor para aplicações em materiais eletrônicos. Em relação à desidrogenação catalítica do TaC, estudos sobre o desempenho catalítico do TiC e do TaC mostraram que o TaC praticamente não exibe atividade catalítica em temperaturas mais baixas, mas sua atividade catalítica aumenta significativamente acima de 1000°C. A pesquisa sobre o desempenho catalítico do CO revelou que a 300°C, os produtos catalíticos do TaC incluem metano, água e pequenas quantidades de olefinas.

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