۱- کاربرد و پیشرفت تحقیقاتی پوشش کاربید سیلیکون در مواد میدان حرارتی کربن/کربن
۱.۱ کاربرد و پیشرفت تحقیق در آمادهسازی بوته
در میدان حرارتی تک کریستالی،کربن/بوته کربنیعمدتاً به عنوان ظرف حمل مواد سیلیکونی استفاده میشود و با ... در تماس است.بوته کوارتزهمانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است. دمای کاری بوته کربن/کربن حدود ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد است که در معرض فرسایش مضاعف سیلیکون جامد (دی اکسید سیلیکون) و بخار سیلیکون قرار میگیرد و در نهایت بوته نازک میشود یا ترک حلقهای میخورد که منجر به خرابی بوته میشود.
یک بوته کامپوزیتی کربن/کربن با پوشش کامپوزیتی با استفاده از فرآیند نفوذ بخار شیمیایی و واکنش درجا تهیه شد. پوشش کامپوزیتی از پوشش کاربید سیلیکون (100 تا 300 میکرومتر)، پوشش سیلیکون (10 تا 20 میکرومتر) و پوشش نیترید سیلیکون (50 تا 100 میکرومتر) تشکیل شده بود که میتوانست به طور موثری از خوردگی بخار سیلیکون روی سطح داخلی بوته کامپوزیتی کربن/کربن جلوگیری کند. در فرآیند تولید، میزان از دست دادن بوته کامپوزیتی کربن/کربن با پوشش کامپوزیتی 0.04 میلیمتر در هر کوره است و عمر مفید آن میتواند به 180 بار کارکرد کوره برسد.
محققان با استفاده از دی اکسید سیلیکون و فلز سیلیکون به عنوان مواد اولیه در یک کوره پخت دمای بالا، از یک روش واکنش شیمیایی برای ایجاد یک پوشش یکنواخت کاربید سیلیکون روی سطح بوته کامپوزیت کربن/کربن تحت شرایط دمایی خاص و محافظت توسط گاز حامل استفاده کردند. نتایج نشان میدهد که عملیات حرارتی در دمای بالا نه تنها خلوص و استحکام پوشش sic را بهبود میبخشد، بلکه مقاومت سایشی سطح کامپوزیت کربن/کربن را نیز تا حد زیادی بهبود میبخشد و از خوردگی سطح بوته توسط بخار SiO2 و اتمهای اکسیژن فرار در کوره سیلیکونی تک بلور جلوگیری میکند. عمر مفید بوته در مقایسه با بوته بدون پوشش sic، 20٪ افزایش مییابد.
۱.۲ کاربرد و پیشرفت تحقیق در لوله راهنمای جریان
استوانه راهنما بالای بوته قرار دارد (مطابق شکل ۱). در فرآیند کشش کریستال، اختلاف دما بین داخل و خارج میدان زیاد است، به خصوص سطح زیرین که به ماده سیلیکون مذاب نزدیکتر است، دما بالاترین مقدار را دارد و خوردگی توسط بخار سیلیکون جدیترین است.
محققان یک فرآیند ساده و مقاومت در برابر اکسیداسیون خوب برای پوشش ضد اکسیداسیون لوله راهنما و روش آمادهسازی آن اختراع کردند. ابتدا، یک لایه از ویسکر کاربید سیلیکون به صورت درجا روی ماتریس لوله راهنما رشد داده شد و سپس یک لایه بیرونی کاربید سیلیکون متراکم تهیه شد، به طوری که یک لایه انتقالی SiCw بین ماتریس و لایه سطحی کاربید سیلیکون متراکم تشکیل شد، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. ضریب انبساط حرارتی بین ماتریس و کاربید سیلیکون بود. این میتواند به طور موثر تنش حرارتی ناشی از عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی را کاهش دهد.
تجزیه و تحلیل نشان میدهد که با افزایش محتوای SiCw، اندازه و تعداد ترکها در پوشش کاهش مییابد. پس از 10 ساعت اکسیداسیون در دمای 1100 درجه سانتیگراد، میزان کاهش وزن نمونه پوشش تنها 0.87٪ تا 8.87٪ است و مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر شوک حرارتی پوشش کاربید سیلیکون به میزان قابل توجهی بهبود مییابد. کل فرآیند آمادهسازی به طور مداوم با رسوب بخار شیمیایی تکمیل میشود، آمادهسازی پوشش کاربید سیلیکون تا حد زیادی ساده شده و عملکرد جامع کل نازل تقویت میشود.
محققان روشی برای تقویت ماتریس و پوشش سطحی لوله راهنمای گرافیتی برای سیلیکون تک بلوری czohr پیشنهاد کردند. دوغاب کاربید سیلیکون به دست آمده به طور یکنواخت روی سطح لوله راهنمای گرافیتی با ضخامت پوشش 30 تا 50 میکرومتر با روش پوشش قلممویی یا پوشش اسپری پوشش داده شد و سپس برای واکنش درجا در یک کوره با دمای بالا قرار داده شد، دمای واکنش 1850 تا 2300 درجه سانتیگراد و زمان حفظ گرما 2 تا 6 ساعت بود. لایه بیرونی SiC را میتوان در یک کوره رشد تک بلوری 24 اینچ (60.96 سانتیمتر) استفاده کرد و دمای استفاده 1500 درجه سانتیگراد است و مشخص شد که پس از 1500 ساعت هیچ ترک خوردگی و ریزش پودری روی سطح استوانه راهنمای گرافیتی وجود ندارد.
۱.۳ کاربرد و پیشرفت تحقیقات در سیلندر عایق
به عنوان یکی از اجزای کلیدی سیستم میدان حرارتی سیلیکون تک کریستالی، سیلندر عایق عمدتاً برای کاهش اتلاف گرما و کنترل گرادیان دمای محیط میدان حرارتی استفاده میشود. به عنوان بخش پشتیبان لایه عایق دیواره داخلی کوره تک کریستالی، خوردگی بخار سیلیکون منجر به ریزش سرباره و ترک خوردگی محصول میشود که در نهایت منجر به خرابی محصول میشود.
به منظور افزایش بیشتر مقاومت در برابر خوردگی بخار سیلیکون لوله عایق کامپوزیتی C/C-sic، محققان محصولات لوله عایق کامپوزیتی C/C-sic تهیه شده را در کوره واکنش بخار شیمیایی قرار دادند و با فرآیند رسوب بخار شیمیایی، پوشش کاربید سیلیکون متراکمی را روی سطح محصولات لوله عایق کامپوزیتی C/C-sic ایجاد کردند. نتایج نشان میدهد که این فرآیند میتواند به طور موثری از خوردگی الیاف کربن روی هسته کامپوزیت C/C-sic توسط بخار سیلیکون جلوگیری کند و مقاومت در برابر خوردگی بخار سیلیکون در مقایسه با کامپوزیت کربن/کربن 5 تا 10 برابر افزایش مییابد و عمر مفید سیلندر عایق و ایمنی محیط میدان حرارتی تا حد زیادی بهبود مییابد.
۲. نتیجهگیری و چشمانداز
پوشش سیلیکون کاربیدبه دلیل مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون در دمای بالا، به طور فزایندهای در مواد میدان حرارتی کربن/کربن مورد استفاده قرار میگیرد. با افزایش اندازه مواد میدان حرارتی کربن/کربن مورد استفاده در تولید سیلیکون تکبلوری، چگونگی بهبود یکنواختی پوشش کاربید سیلیکون روی سطح مواد میدان حرارتی و بهبود عمر مفید مواد میدان حرارتی کربن/کربن به یک مشکل فوری تبدیل شده است که باید حل شود.
از سوی دیگر، با توسعه صنعت سیلیکون تکبلوری، تقاضا برای مواد میدان حرارتی کربن/کربن با خلوص بالا نیز در حال افزایش است و نانوفیبرهای SiC نیز در طول واکنش روی فیبرهای کربن داخلی رشد میکنند. سرعت فرسایش جرمی و فرسایش خطی کامپوزیتهای C/C-ZRC و C/C-sic ZrC تهیهشده توسط آزمایشها به ترتیب -0.32 میلیگرم بر ثانیه و 2.57 میکرومتر بر ثانیه است. سرعت فرسایش جرمی و خطی کامپوزیتهای C/C-sic-ZrC به ترتیب -0.24 میلیگرم بر ثانیه و 1.66 میکرومتر بر ثانیه است. کامپوزیتهای C/C-ZRC با نانوفیبرهای SiC خواص فرسایشی بهتری دارند. در ادامه، اثرات منابع کربن مختلف بر رشد نانوفیبرهای SiC و مکانیسم تقویت خواص فرسایشی کامپوزیتهای C/C-ZRC توسط نانوفیبرهای SiC بررسی خواهد شد.
یک بوته کامپوزیتی کربن/کربن با پوشش کامپوزیتی با استفاده از فرآیند نفوذ بخار شیمیایی و واکنش درجا تهیه شد. پوشش کامپوزیتی از پوشش کاربید سیلیکون (100 تا 300 میکرومتر)، پوشش سیلیکون (10 تا 20 میکرومتر) و پوشش نیترید سیلیکون (50 تا 100 میکرومتر) تشکیل شده بود که میتوانست به طور موثری از خوردگی بخار سیلیکون روی سطح داخلی بوته کامپوزیتی کربن/کربن جلوگیری کند. در فرآیند تولید، میزان از دست دادن بوته کامپوزیتی کربن/کربن با پوشش کامپوزیتی 0.04 میلیمتر در هر کوره است و عمر مفید آن میتواند به 180 بار کارکرد کوره برسد.
زمان ارسال: ۲۲ فوریه ۲۰۲۴