Kaip SiC danga pagerina anglies kaibio atsparumą oksidacijai？

Anglies veltinispasižymi puikiomis savybėmis, tokiomis kaip mažas šilumos laidumas, maža savitoji šiluma ir geras aukštos temperatūros šiluminis stabilumas. Jis dažnai naudojamas kaip šiluminės izoliacijos medžiaga vakuume ar apsauginėje atmosferoje ir buvo plačiai naudojama puslaidininkių lauke. Tačiau aplinkoje, kurios temperatūra aukštesnė nei 450 ℃, anglies veltinis bus greitai oksiduotas, todėl medžiaga greitai sunaikins. Puslaidininkių perdirbimo aplinka dažnai yra didesnė nei 450 ° C, todėl ypač svarbu pagerinti anglies veltinio atsparumą oksidacijai.

Kodėl verta rinktisSiC danga?

Paviršiaus danga yra idealus anglies pluošto produktų anti-oksidacijos metodas. Antioksidacijos dangos apima metalines dangas, keramines dangas, stiklines dangas ir kt. Tarp keraminių dangų SIC turi puikų atsparumą oksidacijai aukštai temperatūrai ir gerą fizinį bei cheminį suderinamumą su anglies pluošto produktais. Kai SIC oksiduojasi aukštoje temperatūroje, ant jo paviršiaus susidaręs SiO2 gali užpildyti įtrūkimus ir kitus dangos defektus ir blokuoti O2 skverbimąsi, todėl ji yra dažniausiai naudojama dangos medžiaga anglies pluošto produktų dangose.

Kaip atlikti SiC dangą ant anglies veltinio?

SiC danga buvo paruošta anglies veltinio anglies pluošto paviršiuje cheminiame garų nusėdime. Po ultragarso valymo paruoštas anglies veltinis tam tikrą laiką buvo džiovinamas 100 ℃. Anglies veltinis buvo kaitinamas iki 1100 ℃ vakuuminio vamzdžio krosnyje, o AR kaip skiedimo dujos ir H2 kaip nešiklio dujos, o šildomas trichlormetil siloksanas buvo nuvežtas į reakcijos kamerą burbuliuko metodu. Depozicijos principas yra toks:

Ch₃Shick (G) → SIC (S) +3HCl (G)

Kaip atrodo SiC dangos anglies paviršius?

Mes panaudojome „D8 Advance“ rentgeno difraktometrą (XRD), kad išanalizuotume SiC dangos anglies veltinio fazės sudėties. Iš SiC dangos anglies veltinio XRD spektro, kaip parodyta 1 paveiksle, yra trys akivaizdžios difrakcijos smailės esant 2θ = 35,8 °, 60,2 ° ir 72 °, kurie atitinka atitinkamai (111), (220) ir (311) kristalų plokštumas. Galima pastebėti, kad anglies veltinio paviršiuje susidaro danga yra β-SIC.

1 paveikslas

Mes panaudojome „Magellan 400“ nuskaitymo elektronų mikroskopą (SEM), kad stebėtume anglies, esamos prieš ir po dangos, mikroskopinę morfologiją. Kaip matyti iš 2 paveikslo, anglies pluoštai, esantys originalios anglies veltinio viduje, yra nevienodos storio, chaotiškai pasiskirsto, su daugybe tuštumų ir mažo bendro tankio (apie 0,14 g/cm3). Pagrindinės priežastys, dėl kurių anglies veltinis gali būti naudojamas kaip šiluminės izoliacijos medžiaga, yra daugybė tuštumų ir mažo tankio. Originalios anglies viduje esančioje anglies paviršiuje yra daugybė griovelių, esančių išilgai pluošto ašies, o tai padeda pagerinti jungimo stiprumą tarp dangos ir matricos. 

Palyginus 2 ir 3 paveikslus, galima pastebėti, kad anglies pluoštai, esantys dangos anglies veltinyje, yra padengti SiC dangomis. SiC dangos susidaro mažomis dalelėmis, sandariai sukrautomis, o dangos yra vienodos ir tankios. Jie yra tvirtai sujungti su anglies pluošto matrica, be akivaizdaus lupimo, įtrūkimų ir skylių, ir nėra akivaizdaus įtrūkimo, kai sukibimas su matrica.

2 paveikslas

3 paveikslas

Kaip pasireiškia SiC dangos anglies atsparumas oksidacijai?

Mes atlikome atitinkamai termogravimetrinę analizę (TG) apie įprastą anglies veltinio ir SiC dangos anglies veltinį. Šildymo greitis buvo 10 ℃/min, o oro srautas buvo 20 ml/min. 4 paveikslas yra anglies veltinio TG kreivė, kur 4a paveikslas yra TG nepadengtos anglies veltinio kreivė, o 4B paveikslas yra SiC dangos anglies veltinio TG kreivė. Iš 4a pav. Galima pamatyti, kad po 600 ℃ ox oksidacijos greitis yra žymiai įsibėgėjęs. Maždaug 790 ℃ liekanos mėginio masės frakcija yra 0, tai reiškia, kad ji buvo visiškai oksiduota. 

Kaip parodyta 4B paveiksle, dangos anglies veltinio mėginio masės nuostoliai, kai temperatūra kyla nuo kambario temperatūros iki 280 ℃. Esant 280-345 ℃, mėginys pradeda palaipsniui oksiduoti, o oksidacijos greitis yra gana greitas. Esant 345-520 ℃, oksidacijos progresas sulėtėja. Esant apie 760 ℃, masinis mėginio praradimas siekia maksimalų, tai yra apie 4%. Esant 760–1200 ℃, kylant temperatūrai, mėginio masė pradeda didėti. Tai yra, įvyksta svorio padidėjimas. Taip yra todėl, kad anglies pluošto paviršiuje esanti SIC yra oksiduojama, kad SiO2 susidarytų aukštoje temperatūroje. Ši reakcija yra svorio padidėjimo reakcija, kuri padidina mėginio masę.

Palyginus 4a ir 4b paveikslus, galima rasti, kad esant 790 ℃, paprastosios anglies veltinis buvo visiškai oksiduotas, o SiC dangos anglies veltinio oksidacijos svorio sumažėjimo greitis yra apie 4%. Kai temperatūra pakils iki 1200 ℃, SiC dangos anglies masė jaučiasi net šiek tiek padidėjus dėl SiO2 susidarymo, tai rodo, kad SIC danga gali žymiai pagerinti anglies veltinio atsparumą aukštai temperatūrai.

4 pav. Tg anglies veltinio kreivė

The SiC dangaSėkmingai paruoštas ant anglies, veltinio dėl cheminio garų nusėdimo, yra tolygiai pasiskirstę, ištisai, tankiai sukrauti ir neturi akivaizdžių skylių ar įtrūkimų. SiC danga yra tvirtai sujungta su substratu be akivaizdžių tarpų. Jis turi labai stiprų gebėjimą kovoti su oksidacija.