1. Karbon/karbon termal alan malzemelerinde silisyum karbür kaplamanın uygulama ve araştırma gelişmeleri
1.1 Pota hazırlama alanındaki uygulama ve araştırma gelişmeleri
Tek kristalli termal alanda,karbon/karbon potaEsas olarak silikon malzeme için taşıyıcı kap olarak kullanılır ve onunla temas halindedir.kuvars potaŞekil 2'de gösterildiği gibi, karbon/karbon potanın çalışma sıcaklığı yaklaşık 1450℃'dir ve bu sıcaklıkta katı silikon (silikon dioksit) ve silikon buharının çift aşınmasına maruz kalır; sonuç olarak pota incelir veya halka şeklinde çatlaklar oluşur ve pota arızalanır.
Kimyasal buhar geçirgenliği işlemi ve yerinde reaksiyon yöntemiyle kompozit kaplamalı karbon/karbon kompozit pota hazırlandı. Kompozit kaplama, silisyum karbür kaplama (100~300 μm), silisyum kaplama (10~20 μm) ve silisyum nitrür kaplama (50~100 μm) katmanlarından oluşmakta olup, karbon/karbon kompozit potanın iç yüzeyinde silisyum buharının korozyonunu etkili bir şekilde engelleyebilmektedir. Üretim sürecinde, kompozit kaplamalı karbon/karbon kompozit potanın kaybı fırın başına 0,04 mm olup, kullanım ömrü 180 fırın döngüsüne ulaşabilmektedir.
Araştırmacılar, silisyum dioksit ve silisyum metalini hammadde olarak kullanarak, yüksek sıcaklıkta sinterleme fırınında belirli sıcaklık koşulları ve taşıyıcı gaz koruması altında, karbon/karbon kompozit potanın yüzeyinde homojen bir silisyum karbür kaplama oluşturmak için kimyasal reaksiyon yöntemini kullandılar. Sonuçlar, yüksek sıcaklık işleminin sadece silisyum karbür kaplamanın saflığını ve mukavemetini iyileştirmekle kalmayıp, aynı zamanda karbon/karbon kompozit yüzeyinin aşınma direncini de büyük ölçüde artırdığını ve tek kristalli silisyum fırınındaki SiO buharı ve uçucu oksijen atomlarının pota yüzeyini korozyona uğratmasını önlediğini göstermektedir. Potanın kullanım ömrü, silisyum karbür kaplaması olmayan potaya kıyasla %20 oranında artmıştır.
1.2 Akış yönlendirme borusunda uygulama ve araştırma gelişmeleri
Kılavuz silindir, potanın üzerinde yer almaktadır (Şekil 1'de gösterildiği gibi). Kristal çekme işlemi sırasında, iç ve dış alan arasındaki sıcaklık farkı büyüktür, özellikle alt yüzey erimiş silikon malzemeye en yakın olduğundan sıcaklık en yüksektir ve silikon buharı kaynaklı korozyon en ciddi düzeydedir.
Araştırmacılar, kılavuz boru antioksidasyon kaplaması ve hazırlama yöntemi için basit ve iyi oksidasyon direnci sağlayan bir işlem geliştirdiler. İlk olarak, kılavuz borunun matrisi üzerine yerinde bir silisyum karbür bıyık tabakası büyütüldü ve ardından yoğun bir silisyum karbür dış tabaka hazırlandı, böylece matris ile yoğun silisyum karbür yüzey tabakası arasında bir SiCw geçiş tabakası oluşturuldu (Şekil 3'te gösterildiği gibi). Termal genleşme katsayısı matris ve silisyum karbür arasındaydı. Bu, termal genleşme katsayısı uyumsuzluğundan kaynaklanan termal gerilimi etkili bir şekilde azaltabilir.
Analiz, SiCw içeriğinin artmasıyla kaplamadaki çatlakların boyutunun ve sayısının azaldığını göstermektedir. 1100 ℃'lik havada 10 saatlik oksidasyondan sonra, kaplama numunesinin ağırlık kaybı oranı sadece %0,87~%8,87 olup, silisyum karbür kaplamanın oksidasyon direnci ve termal şok direnci büyük ölçüde iyileştirilmiştir. Tüm hazırlama süreci kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle sürekli olarak tamamlanarak, silisyum karbür kaplamanın hazırlanması büyük ölçüde basitleştirilmiş ve tüm nozulun kapsamlı performansı güçlendirilmiştir.
Araştırmacılar, tek kristalli silisyum için grafit kılavuz tüpünün matris güçlendirme ve yüzey kaplama yöntemini önerdiler. Elde edilen silisyum karbür bulamacı, fırça veya püskürtme yöntemiyle 30~50 μm kalınlığında grafit kılavuz tüpünün yüzeyine homojen bir şekilde kaplandı ve daha sonra yerinde reaksiyon için yüksek sıcaklık fırınına yerleştirildi. Reaksiyon sıcaklığı 1850~2300 ℃, ısı koruma süresi ise 2~6 saatti. SiC dış katmanı, 24 inç (60,96 cm) tek kristal büyüme fırınında 1500 ℃ sıcaklıkta kullanılabildi ve 1500 saat sonra grafit kılavuz silindirinin yüzeyinde çatlama ve toz dökülmesi olmadığı tespit edildi.
1.3 Yalıtım silindirinde uygulama ve araştırma gelişmeleri
Tek kristalli silikon termal alan sisteminin temel bileşenlerinden biri olan yalıtım silindiri, esas olarak ısı kaybını azaltmak ve termal alan ortamının sıcaklık gradyanını kontrol etmek için kullanılır. Tek kristalli fırının iç duvar yalıtım tabakasının destekleyici bir parçası olarak, silikon buharı korozyonu, ürünün cüruf dökülmesine ve çatlamasına yol açarak nihayetinde ürün arızasına neden olur.
C/C-siC kompozit yalıtım tüpünün silikon buharı korozyon direncini daha da artırmak amacıyla, araştırmacılar hazırlanan C/C-siC kompozit yalıtım tüpü ürünlerini kimyasal buhar reaksiyon fırınına yerleştirmiş ve kimyasal buhar biriktirme işlemiyle C/C-siC kompozit yalıtım tüpü ürünlerinin yüzeyine yoğun silisyum karbür kaplama uygulamışlardır. Sonuçlar, bu işlemin C/C-siC kompozitinin çekirdeğindeki karbon fiberin silikon buharı ile korozyonunu etkili bir şekilde engelleyebildiğini ve silikon buharı korozyon direncinin karbon/karbon kompozitine kıyasla 5 ila 10 kat arttığını, yalıtım silindirinin hizmet ömrünün ve termal alan ortamının güvenliğinin büyük ölçüde iyileştirildiğini göstermektedir.
2. Sonuç ve gelecek перспектиfleri
Silisyum karbür kaplamaYüksek sıcaklıklarda mükemmel oksidasyon direnci nedeniyle karbon/karbon termal alan malzemelerinde giderek daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Monokristal silikon üretiminde kullanılan karbon/karbon termal alan malzemelerinin boyutunun artmasıyla birlikte, termal alan malzemelerinin yüzeyindeki silisyum karbür kaplamanın homojenliğinin nasıl iyileştirileceği ve karbon/karbon termal alan malzemelerinin hizmet ömrünün nasıl uzatılacağı acilen çözülmesi gereken bir sorun haline gelmiştir.
Öte yandan, monokristal silikon endüstrisinin gelişmesiyle birlikte, yüksek saflıkta karbon/karbon termal alan malzemelerine olan talep de artmaktadır ve reaksiyon sırasında iç karbon lifleri üzerinde SiC nanolifleri de oluşmaktadır. Deneylerle hazırlanan C/C-ZRC ve C/C-siC-ZrC kompozitlerinin kütle ve doğrusal aşınma oranları sırasıyla -0,32 mg/s ve 2,57 μm/s'dir. C/C-siC-ZrC kompozitlerinin kütle ve doğrusal aşınma oranları ise sırasıyla -0,24 mg/s ve 1,66 μm/s'dir. SiC nanolifleri içeren C/C-ZRC kompozitleri daha iyi aşınma özelliklerine sahiptir. Daha sonra, farklı karbon kaynaklarının SiC nanoliflerinin büyümesi üzerindeki etkileri ve SiC nanoliflerinin C/C-ZRC kompozitlerinin aşınma özelliklerini güçlendirme mekanizması incelenecektir.
Kimyasal buhar geçirgenliği işlemi ve yerinde reaksiyon yöntemiyle kompozit kaplamalı karbon/karbon kompozit pota hazırlandı. Kompozit kaplama, silisyum karbür kaplama (100~300 μm), silisyum kaplama (10~20 μm) ve silisyum nitrür kaplama (50~100 μm) katmanlarından oluşmakta olup, karbon/karbon kompozit potanın iç yüzeyinde silisyum buharının korozyonunu etkili bir şekilde engelleyebilmektedir. Üretim sürecinde, kompozit kaplamalı karbon/karbon kompozit potanın kaybı fırın başına 0,04 mm olup, kullanım ömrü 180 fırın döngüsüne ulaşabilmektedir.
Yayın tarihi: 22 Şubat 2024