Як покриття SIC покращує стійкість окислення вуглецю？

Вуглецевий фетермає чудові властивості, такі як низька теплопровідність, невелике питомого тепла та хороша висока температура теплової стійкості. Його часто використовують як теплоізоляційний матеріал у вакуумі або захисній атмосфері і широко використовується у напівпровідниковому полі. Однак у середовищі з температурою, що перевищує 450 ℃, вуглецевий фетер буде швидко окислений, що призводить до швидкого знищення матеріалу. Навколишнє середовище переробки напівпровідників часто перевищує 450 ° C, тому особливо важливо поліпшити окислювальну стійкість вуглецю.

Чому вибиратиSIC покриття?

Поверхневе покриття-ідеальний метод проти окислення продуктів вуглецевого волокна. Анти-окислювальні покриття включають металеві покриття, керамічні покриття, скляні покриття тощо. Серед керамічних покриттів SIC має відмінну високотемпературну стійкість до окислення та хорошу фізичну та хімічну сумісність з продуктами вуглецевого волокна. Коли SIC окислюється при високій температурі, SIO2, що утворюється на поверхні, може заповнювати тріщини та інші дефекти в покритті та блокувати проникнення O2, що робить його найбільш часто використовуваним матеріалом покриття в покриттів з вуглецевого волокна.

Як виконувати покриття SIC на вуглецевому фонді?

Покриття SIC готували на поверхні вуглецевого волокна вуглецевого вуглецю хімічним осадженням пари. Після ультразвукового очищення підготовлений вуглецевий фетер висушували на 100 ℃ протягом певного періоду часу. Вуглецевий фетар нагрівали до 1100 ℃ у вакуумній трубці, при цьому AR як газ розведення та H2 як газ -носій, а нагрітий трихлорметил силоксан проводили в реакційну камеру методом бульбашки. Принцип осадження такий:

Ча₃Shick (G) → SIC (S) +3HCL (G)

Як виглядає поверхня вуглецю з покриттям SIC?

Ми використовували D8 Advance рентгенівський дифрактометр (XRD) для аналізу фазового складу вуглецю з вуглецю SIC. З XRD-спектру вуглецю з вуглецю SIC, як показано на малюнку 1, є три очевидні піки дифракції при 2θ = 35,8 °, 60,2 ° та 72 °, які відповідають площинам β-сиру (111), (220) та (311) відповідно. Видно, що покриття, що утворюється на поверхні вуглецевого фетру, є β-SIC.

Рисунок 1 XRD спектр вуглецю з покриттям SIC

Ми використовували електронний мікроскоп Magellan 400 (SEM) для спостереження за мікроскопічною морфологією вуглецю, що відчувається до та після покриття. Як видно з малюнка 2, вуглецеві волокна всередині початкового вуглецевого фетру нерівномірні товщини, хаотично розподіляються, з великою кількістю порожнеч та низькою загальною щільністю (приблизно 0,14 г/см3). Наявність великої кількості порожнеч і низької щільності є основними причинами, чому вуглець може використовуватися як теплоізоляційний матеріал. На поверхні вуглецевих волокон всередині початкового вуглецевого фетру на осі волокна є велика кількість канавок, що допомагає поліпшити міцність на зв'язок між покриттям та матрицею. 

З порівняння малюнків 2 та 3 видно, що вуглецеві волокна всередині вуглецю з покриттям покриті покриттями SIC. Покриття SIC утворюються дрібними частинками, щільно складеними, а покриття рівномірні та щільні. Вони щільно скріплені з матрицею з вуглецевого волокна, без очевидного лущення, тріщин і отворів, і очевидних розтріскувань при зв’язку з матрицею.

Малюнок 2 Морфологія вуглецевого фетру та одноразового кінця вуглецевого волокна перед покриттям

Малюнок 3 Морфологія вуглецевого фетру та кінця по одному вуглецю після покриття

Як проявляється резистентність до окислення вуглецю з покриттям SIC?

Ми провели термогравіметричний аналіз (TG) на звичайний вуглецевий фетер та фетру вуглецю SIC відповідно. Швидкість нагрівання становила 10 ℃/хв, а швидкість потоку повітря - 20 мл/хв. Фігура 4 - крива TG вуглецевого фетру, де на малюнку 4а є крива TG, що не розширила вуглець, і на малюнку 4b - крива ТГ з вуглецевим фетром SIC. З цього малюнка 4А можна побачити, що зразок, що не з'єднує вуглець, окислюється повільно нижче 600 ℃, а швидкість окислення суттєво прискорюється після перевищення 600 ℃. Приблизно на 790 ℃ залишкова масова частка зразка становить 0, а це означає, що вона була повністю окислена. 

Як показано на малюнку 4b, зразок вуглецю з вуглецю з покриттям не має втрати маси, коли температура піднімається від кімнатної температури до 280 ℃. При 280-345 ℃ зразок починає окислюватись поступово, а швидкість окислення відносно швидка. При 345-520 ℃ прогрес окислення сповільнюється. Приблизно на 760 ℃ втрата маси зразка досягає максимуму, що становить близько 4%. При 760-1200 ℃, у міру підвищення температури маса зразка починає збільшуватися. Тобто збільшення ваги відбувається. Це пояснюється тим, що SIC на поверхні вуглецевого волокна окислюється, утворюючи SIO2 при високій температурі. Ця реакція є реакцією на збільшення ваги, яка збільшує масу зразка.

Порівнюючи малюнок 4a та малюнок 4b, можна знайти, що при 790 ℃ звичайний вуглецевий фетер був повністю окислений, тоді як швидкість втрати ваги окислення зразка фетру вуглецю SIC становить приблизно 4%. Коли температура підвищується до 1200 ℃, маса вуглецю SIC покриття навіть незначно збільшується через генерацію SIO2, що вказує на те, що покриття SIC може значно покращити стійкість до окислення високої температури вуглецю.

Рис. 4 Тг крива вуглецевого фетру

ЗSIC покриттяУспішно підготовлений на вуглецю, що відчувається хімічним осадженням пари, рівномірно розподілений, безперервний, густо складений і не має очевидних отворів чи тріщин. Покриття SIC щільно пов'язане з підкладкою без очевидних прогалин. Він має дуже сильну здатність проти окислення.