Progresso da pesquisa de revestimentos TaC em superfícies de materiais à base de carbono

Antecedentes da Pesquisa

Materiais à base de carbono, como grafite, fibras de carbono e compósitos carbono/carbono (C/C), são conhecidos por sua alta resistência específica, alto módulo específico e excelentes propriedades térmicas, tornando-os adequados para uma ampla gama de aplicações em altas temperaturas. . Esses materiais são amplamente utilizados na indústria aeroespacial, engenharia química e armazenamento de energia. No entanto, a sua suscetibilidade à oxidação e corrosão em ambientes de alta temperatura, juntamente com a baixa resistência a riscos, restringe a sua aplicação futura.

Com os avanços tecnológicos, os materiais existentes à base de carbono são cada vez mais incapazes de atender às rigorosas demandas de ambientes extremos, particularmente em relação à resistência à oxidação e à corrosão. Portanto, melhorar o desempenho desses materiais tornou-se uma direção-chave de pesquisa.

O carboneto de tântalo (TaC) é um material com ponto de fusão extremamente alto (3880°C), excelente estabilidade mecânica em altas temperaturas e resistência à corrosão. Também exibe boa compatibilidade química com materiais à base de carbono.Revestimentos TaCpode melhorar significativamente a resistência à oxidação e as propriedades mecânicas de materiais à base de carbono, ampliando sua aplicabilidade em ambientes extremos.

Progresso da pesquisa de revestimentos TaC em superfícies de materiais à base de carbono

1. Substratos de grafite

Vantagens do Grafite:

A grafite é amplamente utilizada na metalurgia de alta temperatura, baterias de energia e fabricação de semicondutores devido à sua tolerância a altas temperaturas (ponto de fusão em torno de 3850°C), alta condutividade térmica e excelente resistência ao choque térmico. No entanto, a grafite é propensa à oxidação e corrosão por metais fundidos em altas temperaturas.

Papel deRevestimentos TaC:

Os revestimentos TaC podem melhorar significativamente a resistência à oxidação, a resistência à corrosão e as propriedades mecânicas do grafite, aumentando assim o seu potencial para aplicações em ambientes extremos.

Métodos e efeitos de revestimento:

(1) Pulverização de Plasma:

Pesquisa: Trignan et al. usou pulverização de plasma para depositar uma camada de 150 µm de espessuraRevestimento TaCna superfície do grafite, aumentando significativamente sua tolerância a altas temperaturas. Embora o revestimento contivesse TaC0,85 e Ta2C pós-pulverização, ele permaneceu intacto sem rachaduras após tratamento em alta temperatura a 2.000°C.

(2) Deposição Química de Vapor (CVD):

Pesquisa: Lv et al. empregou o sistema TaCl5-Ar-C3H6 para preparar um revestimento multifásico C-TaC em superfícies de grafite usando o método CVD. O estudo revelou que à medida que o teor de carbono no revestimento aumentava, o coeficiente de atrito diminuía, indicando excelente resistência ao desgaste.

(3) Método de sinterização de pasta:

Pesquisa: Shen et al. prepararam uma pasta usando TaCl5 e acetilacetona, que aplicaram em superfícies de grafite e depois submeteram à sinterização em alta temperatura. O resultadoRevestimento TaCas partículas tinham aproximadamente 1 µm de tamanho e demonstraram boa estabilidade química e estabilidade em alta temperatura após tratamento a 2.000°C.

Figura 1

A Figura 1a apresenta o cadinho TaC preparado através do método CVD, enquanto as Figuras 1b e 1c ilustram a condição do cadinho sob condições de crescimento epitaxial MOCVD-GaN e crescimento de sublimação de AlN, respectivamente. Estas imagens demonstram que oRevestimento TaCnão só exibe excelente resistência à ablação em temperaturas extremas, mas também mantém alta estabilidade estrutural sob condições de alta temperatura.

2. Substrato de fibra de carbono

Características da fibra de carbono:

A fibra de carbono é caracterizada por sua alta resistência específica e alto módulo específico, juntamente com excelente condutividade elétrica, condutividade térmica, resistência à corrosão ácida e alcalina e estabilidade em altas temperaturas. No entanto, a fibra de carbono tende a perder estas propriedades superiores em ambientes oxidativos de alta temperatura.

Papel deRevestimento TaC:

Depositando umRevestimento TaCna superfície da fibra de carbono aumenta significativamente sua resistência à oxidação e à radiação, melhorando assim sua aplicabilidade em ambientes de temperaturas extremamente altas.

Métodos e efeitos de revestimento:

(1) Infiltração de Vapor Químico (CVI):

Pesquisa: Chen et al. depositou umRevestimento TaCem fibra de carbono usando o método CVI. O estudo descobriu que em temperaturas de deposição de 950-1000°C, o revestimento TaC exibiu uma estrutura densa e excelente resistência à oxidação em altas temperaturas.

(2) Método de reação in situ:

Pesquisa: Liu et al. tecidos preparados de TaC/PyC em fibras de algodão usando o método de reação in situ. Esses tecidos demonstraram eficácia de blindagem eletromagnética extremamente alta (75,0 dB), significativamente superior aos tecidos PyC tradicionais (24,4 dB).

(3) Método do sal fundido:

Pesquisa: Dong et al. preparou umRevestimento TaCna superfície da fibra de carbono usando o método do sal fundido. Os resultados mostraram que este revestimento melhorou significativamente a resistência à oxidação da fibra de carbono.

Figura 2

Figura 2: A Figura 2 mostra imagens SEM de fibras de carbono originais e fibras de carbono revestidas com TaC preparadas sob diferentes condições, juntamente com curvas de análise termogravimétrica (TGA) sob várias condições de revestimento.

Figura 2a: Exibe a morfologia das fibras de carbono originais.

Figura 2b: Mostra a morfologia da superfície de fibras de carbono revestidas com TaC preparadas a 1000°C, com o revestimento denso e distribuído uniformemente.

Figura 2c: Curvas TGA indicam que oRevestimento TaCaumenta significativamente a resistência à oxidação das fibras de carbono, com o revestimento preparado a 1100°C apresentando resistência à oxidação superior.

3. Matriz Composta C/C

Características dos Compósitos C/C:

Os compósitos C/C são compósitos de matriz de carbono reforçados com fibra de carbono, conhecidos por seu alto módulo específico e alta resistência específica, boa estabilidade ao choque térmico e excelente resistência à corrosão em altas temperaturas. Eles são usados ​​​​principalmente nas áreas de produção aeroespacial, automotiva e industrial. No entanto, os compósitos C/C são propensos à oxidação em ambientes de alta temperatura e possuem baixa plasticidade, o que limita sua aplicação em temperaturas mais altas.

Papel deRevestimento TaC:

Preparando umRevestimento TaCna superfície dos compósitos C/C pode melhorar significativamente sua resistência à ablação, estabilidade ao choque térmico e propriedades mecânicas, expandindo assim suas aplicações potenciais sob condições extremas.

Métodos e efeitos de revestimento:

(1) Método de pulverização de plasma:

Pesquisa: Feng et al. preparou revestimentos compósitos HfC-TaC em compósitos C/C usando o método de pulverização de plasma atmosférico supersônico (SAPS). Esses revestimentos exibiram excelente resistência à ablação sob uma densidade de fluxo de calor de chama de 2,38 MW/m², com uma taxa de ablação em massa de apenas 0,35 mg/s e uma taxa de ablação linear de 1,05 µm/s, indicando excelente estabilidade em altas temperaturas.

(2) Método Sol-Gel:

Pesquisa: Ele et al. preparadoRevestimentos TaCem compósitos C/C pelo método sol-gel e sinterizou-os em diferentes temperaturas. O estudo revelou que após a sinterização a 1600°C, o revestimento apresentou a melhor resistência à ablação, com uma estrutura em camadas contínua e densa.

(3) Deposição Química de Vapor (CVD):

Pesquisa: Ren et al. depositaram revestimentos de Hf(Ta)C em compósitos C/C usando o sistema HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar através do método CVD. Os experimentos mostraram que o revestimento tinha forte adesão ao substrato e, após 120 segundos de ablação por chama, a taxa de ablação em massa foi de apenas 0,97 mg/s com uma taxa de ablação linear de 1,32 µm/s, demonstrando excelente resistência à ablação.

Figura 3

A Figura 3 mostra a morfologia da fratura de compósitos C/C com revestimentos multicamadas PyC/SiC/TaC/PyC.

Figura 3a: Exibe a morfologia geral da fratura do revestimento, onde pode ser observada a estrutura intercamadas dos revestimentos.

Figura 3b: É uma imagem ampliada do revestimento, mostrando as condições de interface entre as camadas.

Figura 3c: Compara a resistência ao cisalhamento interfacial e a resistência à flexão de dois materiais diferentes, indicando que a estrutura do revestimento multicamadas melhora significativamente as propriedades mecânicas dos compósitos C/C.

4. Revestimentos TaC em materiais à base de carbono preparados por CVD

O método CVD pode produzir alta pureza, denso e uniformeRevestimentos TaCem temperaturas relativamente baixas, evitando os defeitos e rachaduras comumente vistos em outros métodos de preparação em alta temperatura.

Influência dos parâmetros de DCV:

(1) Taxa de fluxo de gás:

Ao ajustar a taxa de fluxo de gás durante o processo CVD, a morfologia da superfície e a composição química do revestimento podem ser controladas de forma eficaz. Por exemplo, Zhang et al. estudou o efeito da taxa de fluxo de gás Ar emRevestimento TaCcrescimento e descobriram que aumentar a taxa de fluxo de Ar retarda o crescimento dos grãos, resultando em grãos menores e mais uniformes.

(2) Temperatura de deposição:

A temperatura de deposição afeta significativamente a morfologia da superfície e a composição química do revestimento. Geralmente, temperaturas de deposição mais altas aceleram a taxa de deposição, mas também podem aumentar a tensão interna, levando à formação de fissuras. Chen et al. descobri queRevestimentos TaCpreparado a 800°C continha uma pequena quantidade de carbono livre, enquanto a 1000°C, os revestimentos consistiam principalmente de cristais de TaC.

(3) Pressão de Deposição:

A pressão de deposição afeta principalmente o tamanho do grão e a taxa de deposição do revestimento. Estudos mostram que à medida que a pressão de deposição aumenta, a taxa de deposição melhora significativamente e o tamanho do grão aumenta, embora a estrutura cristalina do revestimento permaneça praticamente inalterada.

Figura 4

Figura 5

As Figuras 4 e 5 ilustram os efeitos da vazão de H2 e da temperatura de deposição na composição e tamanho de grão dos revestimentos.

Figura 4: Mostra o efeito de diferentes taxas de fluxo de H2 na composição deRevestimentos TaCa 850°C e 950°C. Quando a vazão de H2 é de 100 mL/min, o revestimento consiste principalmente de TaC com uma pequena quantidade de Ta2C. Em temperaturas mais altas, a adição de H2 resulta em partículas menores e mais uniformes.

Figura 5: Demonstra as mudanças na morfologia da superfície e no tamanho dos grãos deRevestimentos TaCem diferentes temperaturas de deposição. À medida que a temperatura aumenta, o tamanho do grão aumenta gradualmente, passando de grãos esféricos para grãos poliédricos.

Tendências de Desenvolvimento

Desafios atuais:

EmboraRevestimentos TaCmelhorar significativamente o desempenho de materiais à base de carbono, a grande diferença nos coeficientes de expansão térmica entre o TaC e o substrato de carbono pode levar a rachaduras e lascas sob altas temperaturas. Além disso, um únicoRevestimento TaCainda pode ficar aquém do cumprimento dos requisitos de aplicação sob certas condições extremas.

Soluções:

(1) Sistemas de Revestimento Composto:

Para selar fissuras num único revestimento, podem ser utilizados sistemas de revestimento compósito multicamadas. Por exemplo, Feng et al. prepararam revestimentos alternados de HfC-TaC/HfC-SiC em compósitos C/C usando o método SAPS, que mostraram resistência superior à ablação em altas temperaturas.

(2) Sistemas de revestimento de reforço de solução sólida:

HfC, ZrC e TaC têm a mesma estrutura cristalina cúbica de face centrada e podem formar soluções sólidas entre si para aumentar a resistência à ablação. Por exemplo, Wang et al. prepararam revestimentos de Hf (Ta) C usando o método CVD, que exibiram excelente resistência à ablação sob condições de alta temperatura.

(3) Sistemas de Revestimento Gradiente:

Os revestimentos gradientes melhoram o desempenho geral, fornecendo uma distribuição gradiente contínua da composição do revestimento, o que reduz o estresse interno e as incompatibilidades nos coeficientes de expansão térmica. Li et al. preparou revestimentos de gradiente TaC/SiC que demonstraram excelente resistência ao choque térmico durante testes de ablação por chama a 2300°C, sem rachaduras ou lascas observadas.

Figura 6

A Figura 6 ilustra a resistência à ablação de revestimentos compósitos com diferentes estruturas. A Figura 6b mostra que estruturas de revestimento alternadas reduzem rachaduras em altas temperaturas, exibindo ótima resistência à ablação. Em contraste, a Figura 6c indica que os revestimentos multicamadas são propensos a lascar em altas temperaturas devido à presença de múltiplas interfaces.

Conclusão e perspectivas

Este artigo resume sistematicamente o progresso da pesquisa deRevestimentos TaCem compósitos de grafite, fibra de carbono e C/C, discute a influência dos parâmetros CVD emRevestimento TaCdesempenho e analisa questões atuais.

Para atender aos requisitos de aplicação de materiais à base de carbono sob condições extremas, são necessárias melhorias adicionais na resistência à ablação, resistência à oxidação e estabilidade mecânica em alta temperatura dos revestimentos TaC. Além disso, pesquisas futuras deverão aprofundar as questões-chave na preparação de revestimentos CVD TaC, promovendo avanços na aplicação comercial deRevestimentos TaC.**

---

Nós da Semicorex nos especializamos em SiC/Produtos de grafite revestidos com TaCe tecnologia CVD SiC aplicada na fabricação de semicondutores, se você tiver alguma dúvida ou precisar de detalhes adicionais, não hesite em entrar em contato conosco.

Telefone de contato: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com