طلاء الكربون الحراري - درع الكربون الذي ينمو من الغاز

الكربون الحراري، الذي يسمى أحيانًا الجرافيت الحراري، هو مادة شبه مستقرة وسيطة بين الجرافيت والكربون غير المتبلور، يتكون من عملية ترسيب البخار الكيميائي للغازات المحتوية على الكربون (الغازات الهيدروكربونية بشكل أساسي) عند درجات حرارة عالية على سطح الركيزة. (من الناحية الديناميكية الحرارية، الجرافيت هو مادة الكربون الصلبة التي تحتوي على أقل طاقة خالية من جيبس.)

01 ترسيب الكربون الحراري والبخار الكيميائي

تسمى عملية تكوين طبقة صلبة عن طريق تفاعل مركبات أولية كيميائيًا في ظل ظروف عملية محددة وترسيبها على سطح الركيزة المراد طلائها بترسيب البخار الكيميائي. يظهر أدناه رسم تخطيطي للخطوات الرئيسية لعملية ترسيب البخار الكيميائي:

(1) يدخل السلائف منطقة التفاعل؛

(2) يخضع السلف لتفاعل الطور الغازي لتكوين منتجات وسيطة؛

أ. عندما تكون درجة الحرارة في منطقة التفاعل مرتفعة أو في منطقة بعيدة عن ركيزة الترسيب، تستمر المنتجات الوسيطة في الخضوع لتفاعل الطور الغازي، وتشكل مسحوقًا صلبًا ومنتجات ثانوية متطايرة في الطور الغازي. أ. قد يصبح المسحوق الصلب المنتشر على سطح ركيزة الترسيب مواقع نوية للترسيب السطحي، وتنتشر المنتجات الثانوية المتطايرة بعيدًا عن منطقة التفاعل؛

ب. عندما تكون درجة الحرارة في منطقة التفاعل منخفضة أو في المنطقة القريبة من ركيزة الترسيب، تنتشر المنتجات الوسيطة على سطح الركيزة، وتحدث الخطوات التالية:

(3) تمتص المنتجات الوسيطة على سطح الركيزة، وتخضع لتفاعل غير متجانس لإنتاج منتجات الترسيب النشطة والمنتجات الثانوية؛

(4) تنتشر منتجات الترسيب النشطة على سطح ركيزة الترسيب، وتتراكم لتشكل طبقة مستمرة؛

(5) تترك المنتجات الثانوية في الطور الغازي المنطقة القريبة من ركيزة الترسيب؛

(6) تغادر غازات المواد الخام غير المتفاعلة ومنتجات التفاعل الثانوية منطقة التفاعل.

إن تكوين الكربون الانحلالي هو عملية اختزال لا رجعة فيها للإنتروبيا تتغير فيها ذرات الكربون من الفوضى إلى النظام ومن الحالة الغازية إلى الحالة الصلبة عند درجات حرارة عالية. ويخضع للاتجاه النهائي للديناميكا الحرارية الكيميائية، ولكنه يحتفظ ببنية مجهرية غير متوازنة من خلال المسارات الحركية. إن الفهم العميق لهذه العملية لا يضع الأساس المادي لمركبات الكربون الكربوني، والطلاءات ذات درجة الحرارة العالية، وتكسية الوقود النووي فحسب، بل يوفر أيضًا نموذجًا مزدوجًا من الأطر التجريبية والنظرية لوجود الكربون في ظل الظروف القاسية.

02 عملية تحضير وتطبيق الكربون الحراري

يتم تحضير الكربون الحراري عن طريق الانحلال الحراري للهيدروكربونات عند درجة حرارة عالية في بيئة خالية من الأكسجين عند 1200-1400 درجة مئوية. يتم استخدام مفاعل ذو طبقة مميعة رأسية، وتتضمن العملية الخطوات التالية: يتم إدخال غاز خامل (نيتروجين أو هيليوم) من أسفل أنبوب التفاعل لتمييع الجسيمات المقاومة للحرارة؛ يقوم ملف تحريضي خارجي بتسخين محتويات أنبوب التفاعل؛ وتضاف الغازات الهيدروكربونية لبدء تفاعل الانحلال الحراري.

يستخدم الكربون الحراري بشكل أساسي كطبقة واقية ذات درجة حرارة عالية، لصمامات القلب، وطلاءات المواد الحيوية، والطلاءات الواقية لمجالات وقود المفاعلات النووية، ويتم تطبيقه على نطاق واسع في حماية المجال الحراري، واستخدام الطاقة النووية، والطب الحيوي.

03 طلاء وقائي عالي الحرارة للكربون الحراري

يستخدم السيليكون، باعتباره مادة أشباه الموصلات الأكثر شيوعًا، على نطاق واسع في الإلكترونيات والخلايا الكهروضوئية، وخاصة في السيليكون البلوري للخلايا الشمسية، حيث تجعله كفاءته العالية في التحويل الكهروضوئي مكونًا أساسيًا. تُستخدم طريقة Czochralski بشكل أساسي لتحضير السيليكون أحادي البلورة. تُستخدم هذه الطريقة، بكفاءة الإنتاج العالية، وعملية النمو التي يمكن التحكم فيها، ومزايا التحكم في المنشطات، على نطاق واسع في إنتاج السيليكون أحادي البلورة محليًا ودوليًا. ومع ذلك، مع زيادة حجم البلورة، تزداد أيضًا تكلفة المجال الحراري للجرافيت تدريجيًا. خاصة في بيئة بخار السيليكون، تكون مكونات الجرافيت عرضة للتآكل، مما يؤدي إلى تقصير عمر المعدات. ولمعالجة هذه المشكلات، طور الباحثون طلاءات مقاومة للتآكل للمواد الكربونية، مثل الكربون الحراري (PyC)، وكربيد السيليكون (SiC)، وطلاءات كربيد التنتالوم (TaC)، لتحسين عمر مواد الكربون في البيئات المسببة للتآكل ذات درجة الحرارة العالية.

درس تساو تآكل السيليكات لمركبات الجرافيت G330 وAC200C/C المستخدمة في أفران السيليكون أحادية البلورة. وخلصوا إلى أن المسام المفتوحة الممتدة من داخل الجرافيت إلى السطح توفر قنوات لتآكل وانتشار السيليكون المنصهر، مما يسرع عملية قتل السيليكات لمواد الكربون.

قام تشاو بترسيب طبقة من الكربون الحراري (PyC) على سطح الجرافيت باستخدام ترسيب البخار الكيميائي. غطى طلاء PyC الناتج الركيزة الجرافيتية بالكامل وأظهر بنية كثيفة بدون مسامية كبيرة أو شقوق صغيرة مخترقة. بعد معالجة مادة الجرافيت المطلية في بيئة النقش ببخار السيليكون عند درجة حرارة 1600 درجة مئوية لمدة ساعتين، يظهر الشكل المقطعي للطلاء ونتائج اختبار EDX في الشكل أدناه. يوضح الشكل (أ) أنه حتى بعد حفر السيليكون، يظل الطلاء ملتصقًا بإحكام بسطح الركيزة دون حدوث شقوق واضحة. يُظهر التوزيع العنصري للكربون والسيليكون على السطح عدم وجود توزيع للسيليكون تقريبًا تحت طلاء PyC، مما يشير إلى تأثيره الوقائي الممتاز على ركيزة الجرافيت.

الشكل - التشكل المقطعي للجرافيت المطلي بـ PyC بعد نقش السيليكون

توفر شركة Semicorex مكونات طلاء TyC/SiC/TaC عالية الجودة مخصصة يتم تطبيقها في أشباه الموصلات. للحصول على حلول مخصصة أو معلومات فنية إضافية، فلا تتردد في الاتصال بفريقنا الهندسي.

الهاتف: +86-13567891907

البريد الإلكتروني: sales@semicorex.com