1. تطبيق وتطور البحث في طلاء كربيد السيليكون في مواد المجال الحراري الكربوني/الكربوني
1.1 تطبيق التقدم البحثي في تحضير البوتقة
في المجال الحراري للبلورة الأحادية،بوتقة كربونية/كربونيةيُستخدم بشكل أساسي كوعاء ناقل لمادة السيليكون وهو على اتصال بـبوتقة كوارتزكما 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 مركبة من الكربون/الكربون باستخدام عملية التغلغل الكيميائي للبخار والتفاعل الموضعي. يتكون الطلاء المركب من طبقة من كربيد السيليكون (100-300 ميكرومتر)، وطبقة من السيليكون (10-20 ميكرومتر)، وطبقة من نتريد السيليكون (50-100 ميكرومتر)، مما يساهم بفعالية في تثبيط تآكل بخار السيليكون على السطح الداخلي للبوتقة. خلال عملية الإنتاج، يبلغ فقدان البوتقة المركبة المطلية 0.04 مليمتر لكل دورة فرن، ويمكن أن يصل عمرها الافتراضي إلى 180 دورة فرن.
استخدم الباحثون طريقة التفاعل الكيميائي لتكوين طبقة متجانسة من كربيد السيليكون على سطح بوتقة مركبة من الكربون/الكربون، وذلك في ظل ظروف حرارية محددة وتحت حماية غاز ناقل، باستخدام ثاني أكسيد السيليكون ومعدن السيليكون كمواد خام في فرن تلبيد عالي الحرارة. أظهرت النتائج أن المعالجة الحرارية العالية لا تُحسّن فقط نقاء وقوة طبقة كربيد السيليكون، بل تُحسّن أيضًا بشكل كبير مقاومة التآكل لسطح المركب الكربوني/الكربوني، وتمنع تآكل سطح البوتقة بفعل بخار ثاني أكسيد السيليكون وذرات الأكسجين المتطايرة في فرن السيليكون أحادي البلورة. وقد زاد عمر البوتقة بنسبة 20% مقارنةً بالبوتقة غير المطلية بكربيد السيليكون.
1.2 التطبيقات والتقدم البحثي في أنابيب توجيه التدفق
يقع أسطوانة التوجيه فوق البوتقة (كما هو موضح في الشكل 1). في عملية سحب البلورة، يكون فرق درجة الحرارة بين داخل الحقل وخارجه كبيرًا، وخاصةً السطح السفلي الأقرب إلى مادة السيليكون المنصهرة، حيث تكون درجة الحرارة أعلى ما يمكن، ويكون التآكل الناتج عن بخار السيليكون أشد ما يكون.
ابتكر الباحثون عملية بسيطة وطريقة تحضير طلاء مضاد للأكسدة لأنبوب التوجيه، يتميز بمقاومة جيدة للأكسدة. في البداية، تم تنمية طبقة من شعيرات كربيد السيليكون موضعيًا على مصفوفة أنبوب التوجيه، ثم تم تحضير طبقة خارجية كثيفة من كربيد السيليكون، مما أدى إلى تكوين طبقة انتقالية من كربيد السيليكون بين المصفوفة وطبقة سطح كربيد السيليكون الكثيفة، كما هو موضح في الشكل 3. وكان معامل التمدد الحراري متوسطًا بين معامل التمدد الحراري للمصفوفة ومعامل التمدد الحراري لكربيد السيليكون. يساهم هذا في تقليل الإجهاد الحراري الناتج عن اختلاف معامل التمدد الحراري بشكل فعال.
يُظهر التحليل أنه مع زيادة محتوى كربيد السيليكون، يقل حجم وعدد الشقوق في الطلاء. بعد 10 ساعات من الأكسدة في هواء بدرجة حرارة 1100 درجة مئوية، تتراوح نسبة فقدان الوزن لعينة الطلاء بين 0.87% و8.87% فقط، مما يُحسّن بشكل كبير مقاومة الأكسدة والصدمات الحرارية لطلاء كربيد السيليكون. تتم عملية التحضير بالكامل بشكل متواصل باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار، مما يُبسّط عملية تحضير طلاء كربيد السيليكون بشكل كبير، ويُعزز الأداء الشامل للفوهة.
اقترح الباحثون طريقة لتقوية مصفوفة أنبوب التوجيه الجرافيتي وطلائه السطحي باستخدام السيليكون أحادي البلورة. طُلي سطح أنبوب التوجيه الجرافيتي بمعجون كربيد السيليكون الناتج بشكل متجانس بسماكة تتراوح بين 30 و50 ميكرومتر باستخدام الفرشاة أو الرش، ثم وُضع الأنبوب في فرن عالي الحرارة لإجراء تفاعل موضعي عند درجة حرارة تتراوح بين 1850 و2300 درجة مئوية، مع الحفاظ على الحرارة لمدة تتراوح بين ساعتين وست ساعات. يمكن استخدام الطبقة الخارجية من كربيد السيليكون في فرن نمو بلوري أحادي بقطر 60.96 سم (24 بوصة) عند درجة حرارة 1500 درجة مئوية، وقد لوحظ عدم وجود تشققات أو تساقط مسحوق على سطح أنبوب التوجيه الجرافيتي بعد 1500 ساعة.
1.3 تطبيق وتقدم البحث في أسطوانة العزل
يُعدّ أسطوانة العزل أحد المكونات الرئيسية لنظام المجال الحراري للسيليكون أحادي البلورة، وتُستخدم أساسًا لتقليل فقد الحرارة والتحكم في تدرج درجة الحرارة في بيئة المجال الحراري. وباعتبارها جزءًا داعمًا لطبقة العزل الداخلية لجدار فرن البلورة الأحادية، فإن تآكل بخار السيليكون يؤدي إلى تساقط الخبث وتشقق المنتج، مما يُفضي في النهاية إلى تلفه.
بهدف تعزيز مقاومة أنابيب العزل المركبة من الكربون/كربيد السيليكون (C/C-sic) للتآكل الناتج عن بخار السيليكون، قام الباحثون بوضع الأنابيب المُحضّرة في فرن تفاعل البخار الكيميائي، ثم قاموا بتحضير طبقة كثيفة من كربيد السيليكون على سطحها باستخدام عملية الترسيب الكيميائي للبخار. أظهرت النتائج أن هذه العملية تُثبّط بفعالية تآكل ألياف الكربون في قلب الأنابيب المركبة بفعل بخار السيليكون، وأن مقاومة التآكل تزداد من 5 إلى 10 أضعاف مقارنةً بالأنابيب المركبة من الكربون/الكربون، مما يُحسّن بشكل كبير من عمر خدمة أسطوانة العزل وسلامة بيئة المجال الحراري.
2. الخاتمة والتوقعات
طلاء كربيد السيليكونيُستخدم الكربون/الكربون على نطاق واسع في مواد المجال الحراري نظرًا لمقاومته الممتازة للأكسدة عند درجات الحرارة العالية. ومع ازدياد حجم مواد المجال الحراري الكربونية/الكربونية المستخدمة في إنتاج السيليكون أحادي البلورة، أصبح تحسين تجانس طبقة كربيد السيليكون على سطح هذه المواد وإطالة عمرها الافتراضي مشكلة ملحة تتطلب حلًا عاجلًا.
من جهة أخرى، مع تطور صناعة السيليكون أحادي البلورة، يتزايد الطلب على مواد الكربون/الكربون عالية النقاء المستخدمة في المجال الحراري، كما تنمو ألياف نانوية من كربيد السيليكون على ألياف الكربون الداخلية أثناء التفاعل. وقد بلغت معدلات التآكل الكتلي والخطّي لمركبات C/C-ZRC وC/C-sic-ZrC المُحضّرة تجريبياً -0.32 ملغم/ثانية و2.57 ميكرومتر/ثانية على التوالي. أما معدلات التآكل الكتلي والخطّي لمركبات C/C-sic-ZrC فبلغت -0.24 ملغم/ثانية و1.66 ميكرومتر/ثانية على التوالي. تتميز مركبات C/C-ZRC المُدعّمة بألياف نانوية من كربيد السيليكون بخصائص تآكل أفضل. لاحقاً، ستُدرس تأثيرات مصادر الكربون المختلفة على نمو ألياف كربيد السيليكون النانوية وآلية تعزيز هذه الألياف لخصائص التآكل في مركبات C/C-ZRC.
تم تحضير بوتقة مركبة من الكربون/الكربون باستخدام عملية التغلغل الكيميائي للبخار والتفاعل الموضعي. يتكون الطلاء المركب من طبقة من كربيد السيليكون (100-300 ميكرومتر)، وطبقة من السيليكون (10-20 ميكرومتر)، وطبقة من نتريد السيليكون (50-100 ميكرومتر)، مما يساهم بفعالية في تثبيط تآكل بخار السيليكون على السطح الداخلي للبوتقة. خلال عملية الإنتاج، يبلغ فقدان البوتقة المركبة المطلية 0.04 مليمتر لكل دورة فرن، ويمكن أن يصل عمرها الافتراضي إلى 180 دورة فرن.
تاريخ النشر: 22 فبراير 2024