Монокристалл цахиур-2-ын нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн дулааны талбайн материалд SiC бүрхүүлийн хэрэглээ ба судалгааны явц

1 Нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн дулааны талбайн материалд цахиурын карбидын бүрээсийг хэрэглэх, судлах явц

1.1 Тигель бэлтгэхэд хэрэглэгдэх болон судалгааны ахиц дэвшил

Ганц талст дулааны талбарт,нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн тигельголчлон цахиурын материалыг зөөвөрлөх сав болгон ашигладаг бөгөөд үүнтэй харьцдагкварцын тигельЗураг 2-т үзүүлсэн шиг. Нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн тигелийн ажлын температур нь ойролцоогоор 1450℃ бөгөөд энэ нь хатуу цахиур (цахиурын давхар исэл) болон цахиурын уурын давхар элэгдэлд өртөж, эцэст нь тигель нимгэрэх эсвэл цагираг хэлбэртэй хагарал үүсч, тигель эвдэрдэг.

Нийлмэл бүрхүүлтэй нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн нийлмэл тигелийг химийн уур нэвтрүүлэх процесс болон газар дээрх урвалаар бэлтгэсэн. Нийлмэл бүрхүүл нь цахиурын карбидын бүрхүүл (100~300μm), цахиурын бүрхүүл (10~20μm) болон цахиурын нитридийн бүрхүүл (50~100μm)-ээс бүрдсэн бөгөөд энэ нь нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн нийлмэл тигелийн дотор гадаргуу дээрх цахиурын уурын зэврэлтийг үр дүнтэй дарангуйлж чадна. Үйлдвэрлэлийн процесст нийлмэл бүрхүүлтэй нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн нийлмэл тигелийн алдагдал зуух бүрт 0.04 мм бөгөөд ашиглалтын хугацаа нь 180 удаа зууханд хүрч болно.

Судлаачид тодорхой температурын нөхцөлд нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн нийлмэл тигелийн гадаргуу дээр жигд цахиурын карбидын бүрхүүл үүсгэхийн тулд химийн урвалын аргыг ашиглан, мөн тээвэрлэгч хийн хамгаалалтыг ашиглан өндөр температурт хайлуулах зууханд цахиурын давхар исэл болон цахиурын металлыг түүхий эд болгон ашигласан. Үр дүнгээс харахад өндөр температурын боловсруулалт нь цахиурын бүрхүүлийн цэвэршилт, бат бөх чанарыг сайжруулаад зогсохгүй нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн нийлмэл гадаргуугийн элэгдэлд тэсвэртэй байдлыг эрс сайжруулж, монокристалл цахиурын зууханд SiO уур болон дэгдэмхий хүчилтөрөгчийн атомууд тигелийн гадаргууг зэврэхээс сэргийлдэг болохыг харуулж байна. Тигелийн ашиглалтын хугацаа нь цахиурын бүрхүүлгүй тигелийн ашиглалтын хугацаатай харьцуулахад 20%-иар нэмэгдсэн.

1.2 Урсгал хөтлөгч хоолойн хэрэглээ ба судалгааны явц

Чиглүүлэгч цилиндр нь тигелийн дээр байрладаг (Зураг 1-т үзүүлсэн шиг). Кристал татах явцад талбайн дотор болон гадна талын температурын зөрүү их байдаг, ялангуяа доод гадаргуу нь хайлсан цахиурын материалд хамгийн ойр байдаг, температур хамгийн өндөр байдаг бөгөөд цахиурын уурын зэврэлт хамгийн ноцтой байдаг.

Судлаачид чиглүүлэгч хоолойн исэлдэлтийн эсрэг бүрхүүл болон бэлтгэх аргыг энгийн процесс болон сайн исэлдэлтийн эсэргүүцэлтэй болгох аргыг зохион бүтээжээ. Эхлээд чиглүүлэгч хоолойн матриц дээр цахиурын карбидын сахалны давхаргыг байрлуулж, дараа нь нягт цахиурын карбидын гаднах давхаргыг бэлтгэсэн бөгөөд ингэснээр матриц болон нягт цахиурын карбидын гадаргуугийн давхаргын хооронд SiCw шилжилтийн давхарга үүссэн бөгөөд Зураг 3-т үзүүлсэн шиг байна. Дулааны тэлэлтийн коэффициент нь матриц болон цахиурын карбидын хооронд байв. Энэ нь дулааны тэлэлтийн коэффициентийн зөрүүгээс үүдэлтэй дулааны стрессийг үр дүнтэй бууруулж чадна.

Шинжилгээгээр SiCw-ийн агууламж нэмэгдэхийн хэрээр бүрхүүл дэх хагарлын хэмжээ болон тоо буурч байгааг харуулж байна. 1100 ℃ агаарт 10 цагийн исэлдэлтийн дараа бүрхүүлийн дээжийн жингийн алдагдал ердөө 0.87% ~ 8.87% болж, цахиурын карбидын бүрхүүлийн исэлдэлтийн эсэргүүцэл болон дулааны цохилтын эсэргүүцэл эрс сайжирсан. Бэлтгэх бүх үйл явцыг химийн уурын тунадасжуулалтаар тасралтгүй хийж, цахиурын карбидын бүрхүүл бэлтгэх ажлыг ихээхэн хялбарчилж, бүхэл бүтэн цоргоны цогц гүйцэтгэлийг сайжруулсан.

Судлаачид цохр монокристал цахиурын хувьд графит чиглүүлэгч хоолойн матрицыг бэхжүүлэх, гадаргууг бүрэх аргыг санал болгов. Олж авсан цахиурын карбидын зутанг графит чиглүүлэгч хоолойн гадаргуу дээр 30-50 мкм зузаантай бүрээстэй жигд түрхэж, сойзоор бүрэх эсвэл шүрших бүрэх аргаар өндөр температурт зууханд хийж, газар дээр нь урвалд оруулав. Урвалын температур 1850-2300 ℃, дулаан хадгалах хугацаа 2-6 цаг байв. SiC гаднах давхаргыг 24 инч (60.96 см) дан талст өсөлтийн зууханд ашиглаж болох бөгөөд ашиглалтын температур 1500 ℃ бөгөөд 1500 цагийн дараа графит чиглүүлэгч цилиндрийн гадаргуу дээр хагарал, уналтын нунтаг байхгүй болохыг тогтоожээ.

1.3 Тусгаарлалтын цилиндрийн хэрэглээ ба судалгааны явц

Монокристалл цахиурын дулааны талбайн системийн гол бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нэг болох тусгаарлагч цилиндрийг голчлон дулааны алдагдлыг бууруулах, дулааны талбайн орчны температурын градиентийг хянах зорилгоор ашигладаг. Ганц кристалл зуухны дотор талын ханын дулаалгын давхаргын тулгуур хэсэг болох цахиурын уурын зэврэлт нь шаар унах, бүтээгдэхүүний хагаралд хүргэдэг бөгөөд энэ нь эцэстээ бүтээгдэхүүний эвдрэлд хүргэдэг.

C/C-sic нийлмэл тусгаарлагч хоолойн цахиурын уурын зэврэлтээс хамгаалах чадварыг цаашид нэмэгдүүлэхийн тулд судлаачид бэлтгэсэн C/C-sic нийлмэл тусгаарлагч хоолойн бүтээгдэхүүнийг химийн уурын урвалын зууханд хийж, химийн ууршуулах процессоор C/C-sic нийлмэл тусгаарлагч хоолойн бүтээгдэхүүний гадаргуу дээр өтгөн цахиурын карбидын бүрхүүл бэлтгэсэн. Үр дүнгээс харахад энэ процесс нь цахиурын уураар C/C-sic нийлмэлийн цөм дэх нүүрстөрөгчийн шилэн зэврэлтийг үр дүнтэй дарангуйлж, цахиурын уурын зэврэлтээс хамгаалах чадварыг нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн нийлмэлтэй харьцуулахад 5-10 дахин нэмэгдүүлж, тусгаарлагч цилиндрийн ашиглалтын хугацаа болон дулааны талбайн орчны аюулгүй байдлыг эрс сайжруулсан.

2. Дүгнэлт ба хэтийн төлөв

Цахиурын карбидын бүрээсӨндөр температурт маш сайн исэлдэлтийн эсэргүүцэлтэй тул нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн дулааны талбайн материалд улам бүр өргөн хэрэглэгдэж байна. Монокристалл цахиурын үйлдвэрлэлд ашигладаг нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн дулааны талбайн материалын хэмжээ нэмэгдэхийн хэрээр дулааны талбайн материалын гадаргуу дээрх цахиурын карбидын бүрхүүлийн жигд байдлыг хэрхэн сайжруулах, нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн дулааны талбайн материалын ашиглалтын хугацааг сайжруулах нь шийдвэрлэх шаардлагатай тулгамдсан асуудал болж байна.

Нөгөөтэйгүүр, монокристалл цахиурын үйлдвэрлэл хөгжихийн хэрээр өндөр цэвэршилттэй нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн дулааны талбайн материалын эрэлт хэрэгцээ нэмэгдэж байгаа бөгөөд урвалын явцад дотоод нүүрстөрөгчийн ширхэг дээр SiC нано ширхэгийг ургуулж байна. Туршилтаар бэлтгэсэн C/C-ZRC болон C/C-sic ZrC композитуудын массын абляци ба шугаман абляцийн хурд тус тус -0.32 мг/с ба 2.57 μм/с байна. C/C-sic-ZrC композитуудын массын болон шугаман абляцийн хурд тус тус -0.24 мг/с ба 1.66 μм/с байна. SiC нано ширхэгтэй C/C-ZRC композитууд нь илүү сайн абляцийн шинж чанартай байдаг. Хожим нь SiC нано ширхэгийн өсөлтөд янз бүрийн нүүрстөрөгчийн эх үүсвэрийн нөлөө болон SiC нано ширхэгүүд нь C/C-ZRC композитуудын абляцийн шинж чанарыг хэрхэн бэхжүүлж байгааг судлах болно.

Нийлмэл бүрхүүлтэй нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн нийлмэл тигелийг химийн уур нэвтрүүлэх процесс болон газар дээрх урвалаар бэлтгэсэн. Нийлмэл бүрхүүл нь цахиурын карбидын бүрхүүл (100~300μm), цахиурын бүрхүүл (10~20μm) болон цахиурын нитридийн бүрхүүл (50~100μm)-ээс бүрдсэн бөгөөд энэ нь нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн нийлмэл тигелийн дотор гадаргуу дээрх цахиурын уурын зэврэлтийг үр дүнтэй дарангуйлж чадна. Үйлдвэрлэлийн процесст нийлмэл бүрхүүлтэй нүүрстөрөгч/нүүрстөрөгчийн нийлмэл тигелийн алдагдал зуух бүрт 0.04 мм бөгөөд ашиглалтын хугацаа нь 180 удаа зууханд хүрч болно.