การเคลือบ SIC ช่วยปรับปรุงความต้านทานออกซิเดชันของคาร์บอนรู้สึกอย่างไร？

คาร์บอนรู้สึกมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเช่นการนำความร้อนต่ำความร้อนจำเพาะขนาดเล็กและความเสถียรทางความร้อนที่อุณหภูมิสูง มันมักจะถูกใช้เป็นวัสดุฉนวนกันความร้อนในสุญญากาศหรือบรรยากาศป้องกันและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสนามเซมิคอนดักเตอร์ อย่างไรก็ตามในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 450 ℃ความรู้สึกของคาร์บอนจะถูกออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วส่งผลให้มีการทำลายวัสดุอย่างรวดเร็ว สภาพแวดล้อมการประมวลผลของเซมิคอนดักเตอร์มักจะสูงกว่า 450 ° C ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการปรับปรุงความต้านทานการเกิดออกซิเดชันของความรู้สึกคาร์บอน

ทำไมต้องเลือกการเคลือบ SIC?

การเคลือบผิวเป็นวิธีต่อต้านการออกซิเดชั่นที่เหมาะสำหรับผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ การเคลือบป้องกันออกซิเดชั่นรวมถึงการเคลือบโลหะการเคลือบเซรามิกการเคลือบแก้ว ฯลฯ ในหมู่สารเคลือบเซรามิก SIC มีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันอุณหภูมิสูงที่ยอดเยี่ยมและความเข้ากันได้ทางกายภาพและเคมีที่ดีกับผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ เมื่อ SIC ถูกออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิสูง SIO2 ที่สร้างขึ้นบนพื้นผิวสามารถเติมรอยแตกและข้อบกพร่องอื่น ๆ ในการเคลือบและบล็อกการเจาะของ O2 ทำให้เป็นวัสดุเคลือบที่ใช้กันมากที่สุดในการเคลือบผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์

วิธีการเคลือบ SIC บนความรู้สึกของคาร์บอน?

การเคลือบ SIC ถูกเตรียมไว้บนพื้นผิวของคาร์บอนไฟเบอร์ที่ให้ความรู้สึกโดยการสะสมไอสารเคมี หลังจากทำความสะอาดด้วยคลื่นเสียงความรู้สึกคาร์บอนที่เตรียมไว้จะถูกทำให้แห้งที่ 100 ℃เป็นระยะเวลาหนึ่ง ความรู้สึกของคาร์บอนถูกทำให้ร้อนถึง 1,100 ℃ในเตาเผาสุญญากาศโดยมี AR เป็นก๊าซเจือจางและ H2 เป็นก๊าซพาหะและ trichloromethyl siloxane อุ่นถูกนำเข้าไปในห้องปฏิกิริยาโดยวิธี bubbler หลักการสะสมมีดังนี้:

ch₃shick (g) → sic (s) +3hcl (g)

พื้นผิวที่ให้ความรู้สึกของคาร์บอนสารเคลือบ SIC มีลักษณะอย่างไร?

เราใช้ D8 Advance X-ray diffractometer (XRD) เพื่อวิเคราะห์องค์ประกอบเฟสของการเคลือบคาร์บอน SIC จากสเปกตรัม XRD ของคาร์บอนเคลือบ SIC ดังแสดงในรูปที่ 1 มียอดการเลี้ยวเบนสามจุดที่2θ = 35.8 °, 60.2 °และ 72 °ซึ่งสอดคล้องกับ (111), (220) และ (311) จะเห็นได้ว่าการเคลือบที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของความรู้สึกของคาร์บอนคือβ-SIC

รูปที่ 1 XRD สเปกตรัมของคาร์บอนเคลือบ SIC

เราใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน Magellan 400 (SEM) เพื่อสังเกตสัณฐานวิทยาของกล้องจุลทรรศน์ของคาร์บอนรู้สึกก่อนและหลังการเคลือบ ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 2 เส้นใยคาร์บอนในความรู้สึกของคาร์บอนดั้งเดิมนั้นมีความหนาไม่สม่ำเสมอกระจายอย่างวุ่นวายด้วยช่องว่างจำนวนมากและความหนาแน่นโดยรวมต่ำ (ประมาณ 0.14 g/cm3) การปรากฏตัวของช่องว่างจำนวนมากและความหนาแน่นต่ำเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้คาร์บอนรู้สึกสามารถใช้เป็นวัสดุฉนวนกันความร้อนได้ มีร่องจำนวนมากบนพื้นผิวของเส้นใยคาร์บอนภายในคาร์บอนดั้งเดิมรู้สึกตามแกนเส้นใยซึ่งช่วยปรับปรุงความแข็งแรงของพันธะระหว่างการเคลือบและเมทริกซ์ 

จากการเปรียบเทียบรูปที่ 2 และ 3 จะเห็นได้ว่าเส้นใยคาร์บอนในความรู้สึกของคาร์บอนเคลือบจะถูกปกคลุมด้วยสารเคลือบ SIC การเคลือบ SIC นั้นเกิดจากอนุภาคขนาดเล็กที่ซ้อนกันแน่นและการเคลือบนั้นมีความสม่ำเสมอและหนาแน่น พวกเขาถูกผูกมัดอย่างแน่นหนากับเมทริกซ์คาร์บอนไฟเบอร์โดยไม่มีการลอกที่ชัดเจนรอยแตกและรูและไม่มีการแตกร้าวที่เห็นได้ชัดที่พันธะกับเมทริกซ์

รูปที่ 2 สัณฐานวิทยาของความรู้สึกของคาร์บอนและปลายคาร์บอนไฟเบอร์เดี่ยวก่อนการเคลือบ

รูปที่ 3 สัณฐานวิทยาของความรู้สึกของคาร์บอนและปลายคาร์บอนไฟเบอร์เดี่ยวหลังจากการเคลือบ

ความต้านทานออกซิเดชันของคาร์บอนเคลือบ SIC รู้สึกอย่างไร

เราทำการวิเคราะห์เทอร์โมโกราวิเมทริก (TG) เกี่ยวกับความรู้สึกของคาร์บอนธรรมดาและความรู้สึกของคาร์บอนเคลือบ SIC ตามลำดับ อัตราการทำความร้อนคือ 10 ℃/นาทีและอัตราการไหลของอากาศคือ 20 มล./นาที รูปที่ 4 คือเส้นโค้ง TG ของความรู้สึกคาร์บอนซึ่งรูปที่ 4a เป็นเส้นโค้ง TG ของความรู้สึกคาร์บอนที่ไม่เคลือบผิวและรูปที่ 4B เป็นเส้นโค้ง TG ของความรู้สึกของคาร์บอนเคลือบ SIC สามารถมองเห็นได้จากรูปที่ 4A ว่าคาร์บอนที่ไม่เคลือบผิวจะออกซิไดซ์ช้ากว่า 600 ℃และอัตราการออกซิเดชั่น ที่ประมาณ 790 ℃สัดส่วนมวลที่เหลือของตัวอย่างคือ 0 ซึ่งหมายความว่ามันได้รับการออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ 

ดังที่แสดงในรูปที่ 4B ตัวอย่างการเคลือบคาร์บอนให้ความรู้สึกไม่มีการสูญเสียมวลเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจากอุณหภูมิห้องเป็น 280 ℃ ที่ 280-345 ℃ตัวอย่างเริ่มออกซิไดซ์ค่อยๆและอัตราการเกิดออกซิเดชันค่อนข้างเร็ว ที่ 345-520 ℃ความคืบหน้าออกซิเดชันช้าลง ที่ประมาณ 760 ℃การสูญเสียมวลของตัวอย่างถึงสูงสุดซึ่งประมาณ 4% ที่ 760-1200 ℃เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นมวลของตัวอย่างเริ่มเพิ่มขึ้น นั่นคือการเพิ่มน้ำหนักเกิดขึ้น นี่เป็นเพราะ SIC บนพื้นผิวของคาร์บอนไฟเบอร์ถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้าง SiO2 ที่อุณหภูมิสูง ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นของน้ำหนักซึ่งเพิ่มมวลของตัวอย่าง

เมื่อเปรียบเทียบรูปที่ 4A และรูปที่ 4B พบว่าที่ 790 ℃ความรู้สึกของคาร์บอนธรรมดาได้รับการออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ในขณะที่อัตราการสูญเสียน้ำหนักออกซิเดชั่นของตัวอย่างการเคลือบคาร์บอน SIC นั้นอยู่ที่ประมาณ 4% เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 1200 ℃มวลของคาร์บอนเคลือบ SIC รู้สึกว่าเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเนื่องจากการสร้าง SiO2 แสดงให้เห็นว่าการเคลือบ SIC สามารถปรับปรุงความต้านทานการเกิดออกซิเดชันอุณหภูมิสูงของคาร์บอนได้อย่างมีนัยสำคัญ

รูปที่ 4 TG โค้งของความรู้สึกคาร์บอน

ที่การเคลือบ SICจัดทำขึ้นอย่างประสบความสำเร็จกับความรู้สึกของคาร์บอนโดยการสะสมไอสารเคมีนั้นมีการกระจายอย่างสม่ำเสมออย่างต่อเนื่องซ้อนกันหนาแน่นและไม่มีรูหรือรอยแตกที่เห็นได้ชัด การเคลือบ SIC นั้นถูกผูกมัดอย่างแน่นหนากับสารตั้งต้นโดยไม่มีช่องว่างที่ชัดเจน มันมีความสามารถในการต่อต้านการออกซิเดชั่นที่แข็งแกร่งมาก