SiC-katte rakendamine ja uurimistöö edenemine süsinik/süsinik termovälja materjalides monokristallilise räni-2 jaoks

1 Ränikarbiidi katte rakendamine ja uurimistöö edusammud süsinik/süsinik termovälja materjalides

1.1 Tiigli ettevalmistamise rakendus ja uurimistöö edusammud

Monokristalli termilises väljassüsinik/süsiniktiigelkasutatakse peamiselt ränimaterjali kandeanumana ja see puutub kokkukvarts-tiigel, nagu on näidatud joonisel 2. Süsinik/süsiniktiigli töötemperatuur on umbes 1450 ℃, mille jooksul toimub tahke räni (ränidioksiidi) ja räniauru kahekordne erosioon ning lõpuks tiigel muutub õhukeseks või tekib rõngaspragu, mille tulemuseks on tiigli purunemine.

Keemilise auru läbilaskvuse protsessi ja kohapealse reaktsiooni abil valmistati komposiitkattega süsinik/süsinikkomposiittiigel. Komposiitkate koosnes ränikarbiidkattest (100–300 μm), ränikattest (10–20 μm) ja räninitriidkattest (50–100 μm), mis tõhusalt pärssisid räniauru korrosiooni süsinik/süsinikkomposiittiigli sisepinnal. Tootmisprotsessi käigus on komposiitkattega süsinik/süsinikkomposiittiigli kadu 0,04 mm ahju kohta ja kasutusiga võib ulatuda 180 ahju korda.

Teadlased kasutasid keemilise reaktsiooni meetodit, et tekitada süsinik/süsinik komposiittiigli pinnale ühtlane ränikarbiidkate teatud temperatuuritingimustes ja kandegaasi kaitsmisel, kasutades kõrgel temperatuuril paagutusahjus toorainena ränidioksiidi ja ränimetalli. Tulemused näitavad, et kõrgel temperatuuril töötlemine mitte ainult ei paranda ränikatte puhtust ja tugevust, vaid parandab oluliselt ka süsinik/süsinik komposiidi pinna kulumiskindlust ning hoiab ära tiigli pinna korrosiooni SiO₂ auru ja lenduvate hapnikuaatomite poolt monokristallilisel räniahjul. Tiigli kasutusiga pikeneb 20% võrreldes ränikatteta tiigliga.

1.2 Voolujuhttoru rakendus ja uurimistöö edusammud

Juhtsilinder asub tiigli kohal (nagu on näidatud joonisel 1). Kristalli tõmbamise protsessis on temperatuuride erinevus välja sees ja väljas suur, eriti kui alumine pind on sula räni materjalile kõige lähemal, on temperatuur kõrgeim ja räniauru korrosioon on kõige tõsisem.

Teadlased leiutasid lihtsa protsessi ja hea oksüdatsioonikindlusega juhttoru antioksüdatsioonikatte ja valmistamismeetodi. Esmalt kasvatati juhttoru maatriksile kohapeal ränikarbiidist vurrukiht ja seejärel valmistati tihe ränikarbiidist väliskiht, nii et maatriksi ja tiheda ränikarbiidi pinnakihi vahele moodustus SiCw üleminekukiht, nagu on näidatud joonisel 3. Soojuspaisumistegur oli maatriksi ja ränikarbiidi vahel. See vähendas tõhusalt soojuspaisumisteguru mittevastavusest tingitud termilist pinget.

Analüüs näitab, et SiCw sisalduse suurenemisega väheneb kattekihi pragude suurus ja arv. Pärast 10-tunnist oksüdeerimist 1100 ℃ õhus on katteproovi kaalukaotus vaid 0,87% ~ 8,87% ning ränikarbiidkatte oksüdatsioonikindlus ja termiline löögikindlus paranevad oluliselt. Kogu ettevalmistusprotsess viiakse läbi pideva keemilise aurustamise teel, mis lihtsustab oluliselt ränikarbiidkatte valmistamist ja tugevdab kogu düüsi terviklikku jõudlust.

Teadlased pakkusid välja meetodi czohr monokristallilise räni grafiidist juhttoru maatriksi tugevdamiseks ja pinna katmiseks. Saadud ränikarbiidi suspensioon kaeti grafiidist juhttoru pinnale ühtlaselt pintsliga katmise või pihustuskatmise meetodil 30–50 μm paksuse kihiga ja seejärel asetati see kohapealseks reaktsiooniks kõrgtemperatuurilisse ahju, kus reaktsioonitemperatuur oli 1850–2300 ℃ ja soojuse säilivusaeg oli 2–6 tundi. SiC väliskihti saab kasutada 24-tollises (60,96 cm3) monokristallide kasvuahjus, mille kasutustemperatuur oli 1500 ℃. Leiti, et pärast 1500 tundi ei ole grafiidist juhtsilindri pinnal pragunemist ega pulbri langemist.

1.3 Isolatsioonisilindri rakendus ja uurimistöö edusammud

Monokristallilisest ränist termovälja süsteemi ühe põhikomponendina kasutatakse isolatsioonisilindrit peamiselt soojuskadude vähendamiseks ja termovälja keskkonna temperatuurigradiendi reguleerimiseks. Monokristallilisest ahjust sisemise seina isolatsioonikihi tugiosana põhjustab räni auru korrosioon räbu tilkumist ja toote pragunemist, mis lõpuks viib toote rikkeni.

C/C-sic komposiit-isolatsioonitorude räniauru korrosioonikindluse edasiseks parandamiseks panid teadlased valmistatud C/C-sic komposiit-isolatsioonitorud keemilise aurustamise ahju ja valmistasid keemilise aurustamise teel C/C-sic komposiit-isolatsioonitorude pinnale tiheda ränikarbiidi katte. Tulemused näitavad, et protsess suudab tõhusalt pärssida C/C-sic komposiidi südamiku süsinikkiu korrosiooni räniauru abil ning räniauru korrosioonikindlus suureneb 5–10 korda võrreldes süsinik/süsinikkomposiidiga, samuti paraneb oluliselt isolatsioonisilindri kasutusiga ja termilise väljakeskkonna ohutus.

2. Kokkuvõte ja väljavaade

Ränikarbiidist katekasutatakse süsinik/süsinik termovälja materjalides üha laialdasemalt tänu oma suurepärasele oksüdatsioonikindlusele kõrgel temperatuuril. Monokristallilise räni tootmisel kasutatavate süsinik/süsinik termovälja materjalide suuruse suurenemisega on termovälja materjalide pinnal oleva ränikarbiidi katte ühtluse parandamine ja süsinik/süsinik termovälja materjalide kasutusea pikendamine muutunud pakiliseks probleemiks.

Teisest küljest, monokristallilise räni tööstuse arenguga suureneb ka nõudlus kõrge puhtusastmega süsinik/süsinik termovälja materjalide järele ning reaktsiooni käigus kasvatatakse sisemistele süsinikkiududele ka SiC nanokiude. Katsete abil valmistatud C/C-ZRC ja C/C-sic ZrC komposiitide massi- ja lineaarse ablatsiooni kiirused on vastavalt -0,32 mg/s ja 2,57 μm/s. C/C-sic-ZrC komposiitide massi- ja joonablatsiooni kiirused on vastavalt -0,24 mg/s ja 1,66 μm/s. SiC nanokiude sisaldavatel C/C-ZRC komposiitidel on paremad ablatiivsed omadused. Hiljem uuritakse erinevate süsinikuallikate mõju SiC nanokiude kasvule ja SiC nanokiude mehhanismi, mis tugevdab C/C-ZRC komposiitide ablatiivseid omadusi.

Keemilise auru läbilaskvuse protsessi ja kohapealse reaktsiooni abil valmistati komposiitkattega süsinik/süsinikkomposiittiigel. Komposiitkate koosnes ränikarbiidkattest (100–300 μm), ränikattest (10–20 μm) ja räninitriidkattest (50–100 μm), mis tõhusalt pärssisid räniauru korrosiooni süsinik/süsinikkomposiittiigli sisepinnal. Tootmisprotsessi käigus on komposiitkattega süsinik/süsinikkomposiittiigli kadu 0,04 mm ahju kohta ja kasutusiga võib ulatuda 180 ahju korda.