1 تطبيق وتقدم البحث في طلاء كربيد السيليكون في مواد المجال الحراري الكربون/الكربون
1.1 التقدم في التطبيقات والبحوث في تحضير البوتقة
في المجال الحراري للبلورة المفردة،بوتقة الكربون/الكربونيستخدم بشكل أساسي كوعاء حامل لمادة السيليكون ويكون على اتصال بـبوتقة الكوارتزكما هو موضح في الشكل 2. تبلغ درجة حرارة تشغيل بوتقة الكربون/الكربون حوالي 1450 درجة مئوية، والتي تتعرض للتآكل المزدوج للسيليكون الصلب (ثاني أكسيد السيليكون) وبخار السيليكون، وفي النهاية تصبح البوتقة رقيقة أو بها شق حلقي، مما يؤدي إلى فشل البوتقة.
تم تحضير بوتقة كربون/كربون مُركبة مُغلفة بطبقة مُركبة من خلال عملية نفاذية البخار الكيميائي والتفاعل في الموقع. يتكون الطلاء المُركب من طلاء كربيد السيليكون (100-300 ميكرومتر)، وطلاء السيليكون (10-20 ميكرومتر)، وطلاء نيتريد السيليكون (50-100 ميكرومتر)، مما يُثبط بفعالية تآكل بخار السيليكون على السطح الداخلي لبوتقة الكربون/الكربون المُركب. في عملية الإنتاج، يبلغ فقدان بوتقة الكربون/الكربون المُغلفة 0.04 مم لكل فرن، ويمكن أن يصل عمر الخدمة إلى 180 مرة.
استخدم الباحثون طريقة تفاعل كيميائي لإنتاج طبقة موحدة من كربيد السيليكون على سطح بوتقة الكربون/الكربون المركب في ظل ظروف درجة حرارة معينة وحماية الغاز الحامل، باستخدام ثاني أكسيد السيليكون ومعدن السيليكون كمواد خام في فرن تلبيد عالي الحرارة. أظهرت النتائج أن المعالجة عالية الحرارة لا تُحسّن نقاء ومتانة طبقة كربيد السيليكون فحسب، بل تُحسّن أيضًا بشكل كبير مقاومة سطح مركب الكربون/الكربون للتآكل، وتمنع تآكل سطح البوتقة بفعل بخار ثاني أكسيد السيليكون وذرات الأكسجين المتطايرة في فرن السيليكون أحادي البلورة. زاد عمر البوتقة بنسبة 20% مقارنةً بالبوتقة غير المُغطاة بطبقة كربيد السيليكون.
1.2 التقدم في التطبيقات والبحوث في أنبوب توجيه التدفق
تقع أسطوانة التوجيه فوق البوتقة (كما هو موضح في الشكل 1). أثناء عملية سحب البلورة، يكون فرق درجة الحرارة داخل وخارج المجال كبيرًا، خاصةً عندما يكون السطح السفلي أقرب إلى مادة السيليكون المنصهرة، وتكون درجة الحرارة فيه أعلى، ويكون التآكل الناتج عن بخار السيليكون هو الأكثر خطورة.
ابتكر الباحثون عملية بسيطة ومقاومة أكسدة جيدة لطلاء أنبوب التوجيه المضاد للأكسدة وطريقة تحضيره. أولاً، زُرعت طبقة من شعيرات كربيد السيليكون في الموقع على مصفوفة أنبوب التوجيه، ثم حُضِّرت طبقة خارجية كثيفة من كربيد السيليكون، مما أدى إلى تكوين طبقة انتقالية من SiCw بين المصفوفة وطبقة سطح كربيد السيليكون الكثيفة، كما هو موضح في الشكل 3. كان معامل التمدد الحراري بين المصفوفة وكربيد السيليكون، مما يُقلل بفعالية من الإجهاد الحراري الناتج عن عدم تطابق معامل التمدد الحراري.
يُظهر التحليل أنه مع زيادة محتوى SiCw، ينخفض حجم وعدد الشقوق في الطلاء. بعد 10 ساعات من الأكسدة في هواء بدرجة حرارة 1100 درجة مئوية، يتراوح معدل فقدان وزن عينة الطلاء بين 0.87% و8.87% فقط، مما يُحسّن بشكل كبير مقاومة طلاء كربيد السيليكون للأكسدة والصدمات الحرارية. تُستكمل عملية التحضير بأكملها بالترسيب الكيميائي للبخار، مما يُبسط تحضير طلاء كربيد السيليكون بشكل كبير، ويُعزز الأداء الشامل للفوهة بأكملها.
اقترح الباحثون طريقة لتقوية المصفوفة وطلاء سطح أنبوب توجيه الجرافيت لسيليكون أحادي البلورة من نوع czohr. طُليَ سطح أنبوب توجيه الجرافيت بطبقة موحدة من كربيد السيليكون بسمك طلاء يتراوح بين 30 و50 ميكرومتر، باستخدام طريقة الطلاء بالفرشاة أو الرش، ثم وُضع في فرن عالي الحرارة للتفاعل في الموقع. تراوحت درجة حرارة التفاعل بين 1850 و2300 درجة مئوية، وتراوحت مدة الحفاظ على الحرارة بين ساعتين وست ساعات. يمكن استخدام الطبقة الخارجية من كربيد السيليكون في فرن نمو بلوري أحادي بقطر 24 بوصة (60.96 سم)، ودرجة حرارة الاستخدام 1500 درجة مئوية، وقد وُجد عدم وجود أي تشقق أو تساقط للمسحوق على سطح أسطوانة توجيه الجرافيت بعد 1500 ساعة.
1.3 التقدم في التطبيقات والبحوث في أسطوانة العزل
باعتبارها أحد المكونات الرئيسية لنظام المجال الحراري للسيليكون أحادي البلورة، تُستخدم أسطوانة العزل بشكل رئيسي لتقليل فقدان الحرارة والتحكم في تدرج درجة حرارة بيئة المجال الحراري. وباعتبارها جزءًا داعمًا لطبقة العزل الداخلية لفرن البلورة الواحدة، يؤدي تآكل بخار السيليكون إلى تساقط الخبث وتشقق المنتج، مما يؤدي في النهاية إلى تلفه.
لتعزيز مقاومة أنبوب العزل المركب C/C-sic للتآكل ببخار السيليكون، وضع الباحثون منتجات أنبوب العزل المركب C/C-sic المُجهزة في فرن تفاعل البخار الكيميائي، وأعدّوا طبقة كثيفة من كربيد السيليكون على سطح أنبوب العزل المركب C/C-sic باستخدام عملية الترسيب الكيميائي للبخار. أظهرت النتائج أن هذه العملية قادرة على تثبيط تآكل ألياف الكربون في قلب أنبوب العزل المركب C/C-sic ببخار السيليكون بفعالية، كما زادت مقاومة بخار السيليكون للتآكل بمقدار 5 إلى 10 أضعاف مقارنةً بمركبات الكربون/الكربون، مما أدى إلى تحسين عمر خدمة أسطوانة العزل وسلامة بيئة المجال الحراري بشكل كبير.
2.الخلاصة والتوقعات
طلاء كربيد السيليكونيزداد استخدام كربيد السيليكون على نطاق واسع في مواد المجال الحراري الكربوني/الكربوني نظرًا لمقاومته الممتازة للأكسدة في درجات الحرارة العالية. مع تزايد استخدام مواد المجال الحراري الكربوني/الكربوني في إنتاج السيليكون أحادي البلورة، أصبح تحسين تجانس طلاء كربيد السيليكون على سطح مواد المجال الحراري وزيادة عمرها الافتراضي مشكلةً ملحة.
من ناحية أخرى، ومع تطور صناعة السيليكون أحادي البلورة، يتزايد الطلب على مواد المجال الحراري عالية النقاء من الكربون/الكربون، وتُزرع ألياف نانوية من كربيد السيليكون على ألياف الكربون الداخلية أثناء التفاعل. تبلغ معدلات الاستئصال الكتلي والاستئصال الخطي لمركبات C/C-ZRC وC/C-sic ZrC المُحضرة بالتجارب -0.32 ملغم/ثانية و2.57 ميكرومتر/ثانية على التوالي. تبلغ معدلات الاستئصال الكتلي والاستئصال الخطي لمركبات C/C-sic -ZrC -0.24 ملغم/ثانية و1.66 ميكرومتر/ثانية على التوالي. تتميز مركبات C/C-ZRC المزودة بألياف نانوية من كربيد السيليكون بخصائص استئصال أفضل. سيتم لاحقًا دراسة آثار مصادر الكربون المختلفة على نمو ألياف نانوية من كربيد السيليكون، وآلية تعزيز ألياف نانوية من كربيد السيليكون لخصائص الاستئصال لمركبات C/C-ZRC.
تم تحضير بوتقة كربون/كربون مُركبة مُغلفة بطبقة مُركبة من خلال عملية نفاذية البخار الكيميائي والتفاعل في الموقع. يتكون الطلاء المُركب من طلاء كربيد السيليكون (100-300 ميكرومتر)، وطلاء السيليكون (10-20 ميكرومتر)، وطلاء نيتريد السيليكون (50-100 ميكرومتر)، مما يُثبط بفعالية تآكل بخار السيليكون على السطح الداخلي لبوتقة الكربون/الكربون المُركب. في عملية الإنتاج، يبلغ فقدان بوتقة الكربون/الكربون المُغلفة 0.04 مم لكل فرن، ويمكن أن يصل عمر الخدمة إلى 180 مرة.
وقت النشر: ٢٢ فبراير ٢٠٢٤