1. การประยุกต์ใช้และความก้าวหน้าในการวิจัยเกี่ยวกับการเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ในวัสดุคาร์บอน/วัสดุสนามความร้อนคาร์บอน
1.1 การประยุกต์ใช้และความก้าวหน้าในการวิจัยด้านการเตรียมเบ้าหลอม
ในสนามความร้อนของผลึกเดี่ยวเบ้าหลอมคาร์บอน/คาร์บอนโดยส่วนใหญ่ใช้เป็นภาชนะบรรจุวัสดุซิลิคอนและสัมผัสกับเบ้าหลอมควอตซ์ดังแสดงในรูปที่ 2 อุณหภูมิใช้งานของเบ้าหลอมคาร์บอน/คาร์บอนอยู่ที่ประมาณ 1450℃ ซึ่งทำให้เกิดการกัดกร่อนสองทางจากซิลิคอนแข็ง (ซิลิคอนไดออกไซด์) และไอซิลิคอน และในที่สุดเบ้าหลอมจะบางลงหรือมีรอยแตกเป็นวงแหวน ส่งผลให้เบ้าหลอมเสียหาย
ได้มีการเตรียมเบ้าหลอมคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอนโดยกระบวนการซึมผ่านไอสารเคมีและปฏิกิริยาในแหล่งกำเนิด การเคลือบคอมโพสิตประกอบด้วยการเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ (100~300 ไมโครเมตร) การเคลือบซิลิคอน (10~20 ไมโครเมตร) และการเคลือบซิลิคอนไนไตรด์ (50~100 ไมโครเมตร) ซึ่งสามารถยับยั้งการกัดกร่อนของไอซิลิคอนบนพื้นผิวด้านในของเบ้าหลอมคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในกระบวนการผลิต การสูญเสียของเบ้าหลอมคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอนอยู่ที่ 0.04 มิลลิเมตรต่อเตาหลอม และอายุการใช้งานสามารถยาวนานถึง 180 ครั้ง
นักวิจัยใช้วิธีปฏิกิริยาเคมีในการสร้างชั้นเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ที่สม่ำเสมอทั่วพื้นผิวของเบ้าหลอมคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน ภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่กำหนดและการป้องกันของก๊าซพาหะ โดยใช้ซิลิคอนไดออกไซด์และโลหะซิลิคอนเป็นวัตถุดิบในเตาเผาผนึกอุณหภูมิสูง ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการบำบัดด้วยอุณหภูมิสูงไม่เพียงแต่ช่วยปรับปรุงความบริสุทธิ์และความแข็งแรงของชั้นเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์เท่านั้น แต่ยังช่วยปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอของพื้นผิวของคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอนอย่างมาก และป้องกันการกัดกร่อนของพื้นผิวเบ้าหลอมจากไอระเหยของ SiO และอะตอมออกซิเจนระเหยในเตาเผาซิลิคอนผลึกเดี่ยว อายุการใช้งานของเบ้าหลอมเพิ่มขึ้น 20% เมื่อเทียบกับเบ้าหลอมที่ไม่มีชั้นเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์
1.2 การประยุกต์ใช้และความก้าวหน้าในการวิจัยเกี่ยวกับท่อนำการไหล
กระบอกนำทางตั้งอยู่เหนือเบ้าหลอม (ดังแสดงในรูปที่ 1) ในกระบวนการดึงผลึก ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างภายในและภายนอกบริเวณนั้นมีมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งพื้นผิวด้านล่างซึ่งอยู่ใกล้กับวัสดุซิลิคอนหลอมเหลวมากที่สุด อุณหภูมิจะสูงที่สุด และการกัดกร่อนจากไอซิลิคอนจะรุนแรงที่สุด
นักวิจัยได้คิดค้นกระบวนการที่เรียบง่ายและมีคุณสมบัติต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่ดี สำหรับการเคลือบป้องกันการเกิดออกซิเดชันของท่อนำทาง และวิธีการเตรียม โดยเริ่มจากการสร้างชั้นของเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ขึ้นในเนื้อวัสดุของท่อนำทาง จากนั้นจึงเตรียมชั้นนอกที่เป็นซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีความหนาแน่นสูง เพื่อให้เกิดชั้นเปลี่ยนผ่าน SiCw ระหว่างเนื้อวัสดุและชั้นผิวซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีความหนาแน่นสูง ดังแสดงในรูปที่ 3 ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนอยู่ระหว่างเนื้อวัสดุและซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งสามารถลดความเครียดจากความร้อนที่เกิดจากความไม่ตรงกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ผลการวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่า เมื่อปริมาณ SiCw เพิ่มขึ้น ขนาดและจำนวนของรอยแตกในสารเคลือบจะลดลง หลังจากการออกซิเดชันในอากาศที่อุณหภูมิ 1100 ℃ เป็นเวลา 10 ชั่วโมง อัตราการสูญเสียน้ำหนักของตัวอย่างสารเคลือบอยู่ที่เพียง 0.87%~8.87% เท่านั้น และความต้านทานต่อการออกซิเดชันและความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันของสารเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก กระบวนการเตรียมทั้งหมดเสร็จสมบูรณ์อย่างต่อเนื่องโดยการตกตะกอนไอสารเคมี ทำให้การเตรียมสารเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ง่ายขึ้นอย่างมาก และเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของหัวฉีดทั้งหมด
นักวิจัยได้เสนอวิธีการเสริมความแข็งแรงของเมทริกซ์และการเคลือบผิวของท่อตัวนำกราไฟต์สำหรับซิลิคอนผลึกเดี่ยว czohr โดยนำสารละลายซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ได้มาเคลือบลงบนพื้นผิวของท่อตัวนำกราไฟต์อย่างสม่ำเสมอด้วยความหนาของชั้นเคลือบ 30-50 ไมโครเมตร โดยใช้วิธีการเคลือบด้วยแปรงหรือการเคลือบแบบพ่น แล้วนำไปวางในเตาเผาอุณหภูมิสูงเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาในสถานที่ โดยอุณหภูมิปฏิกิริยาอยู่ที่ 1850-2300 องศาเซลเซียส และคงอุณหภูมิไว้ 2-6 ชั่วโมง ชั้นนอกของ SiC สามารถนำไปใช้ในเตาเผาสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวขนาด 24 นิ้ว (60.96 เซนติเมตร) ได้ โดยมีอุณหภูมิใช้งานที่ 1500 องศาเซลเซียส และพบว่าไม่มีรอยแตกหรือผงร่วงหล่นบนพื้นผิวของท่อตัวนำกราไฟต์หลังจากผ่านไป 1500 ชั่วโมง
1.3 การประยุกต์ใช้และความก้าวหน้าในการวิจัยเกี่ยวกับกระบอกฉนวน
กระบอกฉนวนเป็นหนึ่งในส่วนประกอบสำคัญของระบบสนามความร้อนซิลิคอนผลึกเดี่ยว โดยส่วนใหญ่ใช้เพื่อลดการสูญเสียความร้อนและควบคุมการไล่ระดับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมสนามความร้อน ในฐานะที่เป็นส่วนรองรับของชั้นฉนวนผนังด้านในของเตาหลอมผลึกเดี่ยว การกัดกร่อนจากไอซิลิคอนนำไปสู่การหลุดร่วงของตะกรันและการแตกร้าวของผลิตภัณฑ์ ซึ่งในที่สุดจะนำไปสู่ความเสียหายของผลิตภัณฑ์
เพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนจากไอซิลิคอนของท่อฉนวนคอมโพสิต C/C-sic ให้ดียิ่งขึ้น นักวิจัยได้นำผลิตภัณฑ์ท่อฉนวนคอมโพสิต C/C-sic ที่เตรียมไว้ไปใส่ในเตาปฏิกรณ์ไอเคมี และเตรียมการเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์หนาแน่นบนพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ท่อฉนวนคอมโพสิต C/C-sic โดยกระบวนการตกตะกอนไอเคมี ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า กระบวนการนี้สามารถยับยั้งการกัดกร่อนของเส้นใยคาร์บอนบนแกนกลางของคอมโพสิต C/C-sic จากไอซิลิคอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และความต้านทานการกัดกร่อนจากไอซิลิคอนเพิ่มขึ้น 5 ถึง 10 เท่าเมื่อเทียบกับคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน และอายุการใช้งานของกระบอกฉนวนและความปลอดภัยของสภาพแวดล้อมทางความร้อนได้รับการปรับปรุงอย่างมาก
2. บทสรุปและแนวโน้มในอนาคต
การเคลือบด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์ซิลิคอนคาร์ไบด์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นในวัสดุตัวนำความร้อนคาร์บอน/คาร์บอน เนื่องจากมีคุณสมบัติทนต่อการออกซิเดชันได้ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิสูง ด้วยขนาดของวัสดุตัวนำความร้อนคาร์บอน/คาร์บอนที่ใช้ในการผลิตซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่เพิ่มมากขึ้น วิธีการปรับปรุงความสม่ำเสมอของการเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์บนพื้นผิวของวัสดุตัวนำความร้อน และยืดอายุการใช้งานของวัสดุตัวนำความร้อนคาร์บอน/คาร์บอน จึงกลายเป็นปัญหาเร่งด่วนที่ต้องแก้ไข
ในทางกลับกัน ด้วยการพัฒนาของอุตสาหกรรมซิลิคอนผลึกเดี่ยว ความต้องการวัสดุสนามความร้อนคาร์บอน/คาร์บอนที่มีความบริสุทธิ์สูงก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน และเส้นใยนาโน SiC ก็ถูกปลูกบนเส้นใยคาร์บอนภายในระหว่างปฏิกิริยา อัตราการกัดกร่อนของมวลและการกัดกร่อนเชิงเส้นของวัสดุคอมโพสิต C/C-ZRC และ C/C-sic ZrC ที่เตรียมโดยการทดลองคือ -0.32 มก./วินาที และ 2.57 ไมโครเมตร/วินาที ตามลำดับ อัตราการกัดกร่อนของมวลและการกัดกร่อนเชิงเส้นของวัสดุคอมโพสิต C/C-sic-ZrC คือ -0.24 มก./วินาที และ 1.66 ไมโครเมตร/วินาที ตามลำดับ วัสดุคอมโพสิต C/C-ZRC ที่มีเส้นใยนาโน SiC มีคุณสมบัติการกัดกร่อนที่ดีกว่า ในอนาคต จะมีการศึกษาผลกระทบของแหล่งคาร์บอนที่แตกต่างกันต่อการเจริญเติบโตของเส้นใยนาโน SiC และกลไกของเส้นใยนาโน SiC ที่เสริมคุณสมบัติการกัดกร่อนของวัสดุคอมโพสิต C/C-ZRC
ได้มีการเตรียมเบ้าหลอมคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอนโดยกระบวนการซึมผ่านไอสารเคมีและปฏิกิริยาในแหล่งกำเนิด การเคลือบคอมโพสิตประกอบด้วยการเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ (100~300 ไมโครเมตร) การเคลือบซิลิคอน (10~20 ไมโครเมตร) และการเคลือบซิลิคอนไนไตรด์ (50~100 ไมโครเมตร) ซึ่งสามารถยับยั้งการกัดกร่อนของไอซิลิคอนบนพื้นผิวด้านในของเบ้าหลอมคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในกระบวนการผลิต การสูญเสียของเบ้าหลอมคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอนอยู่ที่ 0.04 มิลลิเมตรต่อเตาหลอม และอายุการใช้งานสามารถยาวนานถึง 180 ครั้ง
วันที่เผยแพร่: 22 กุมภาพันธ์ 2567