Kemajuan Penelitian Pelapisan TaC pada Permukaan Material Berbasis Karbon

Latar Belakang Penelitian

Bahan berbasis karbon seperti grafit, serat karbon, dan komposit karbon/karbon (C/C) dikenal dengan kekuatan spesifiknya yang tinggi, modulus spesifiknya yang tinggi, dan sifat termalnya yang sangat baik, sehingga cocok untuk berbagai aplikasi suhu tinggi. . Bahan-bahan ini banyak digunakan dalam bidang kedirgantaraan, teknik kimia, dan penyimpanan energi. Namun, kerentanannya terhadap oksidasi dan korosi di lingkungan bersuhu tinggi, serta ketahanan gores yang buruk, membatasi penerapannya lebih lanjut.

Dengan kemajuan teknologi, material berbasis karbon yang ada semakin tidak mampu memenuhi tuntutan ketat lingkungan ekstrem, khususnya terkait ketahanan oksidasi dan korosi. Oleh karena itu, peningkatan kinerja bahan-bahan ini telah menjadi arah penelitian utama.

Tantalum karbida (TaC) adalah material dengan titik leleh sangat tinggi (3880°C), stabilitas mekanis suhu tinggi yang sangat baik, dan ketahanan terhadap korosi. Ini juga menunjukkan kompatibilitas kimia yang baik dengan bahan berbasis karbon.pelapis TaCdapat secara signifikan meningkatkan ketahanan oksidasi dan sifat mekanik bahan berbasis karbon, sehingga memperluas penerapannya di lingkungan ekstrem.

Kemajuan Penelitian Pelapisan TaC pada Permukaan Material Berbasis Karbon

1. Substrat Grafit

Keuntungan Grafit:

Grafit banyak digunakan dalam metalurgi suhu tinggi, baterai energi, dan manufaktur semikonduktor karena toleransi suhu tinggi (titik leleh sekitar 3850°C), konduktivitas termal yang tinggi, dan ketahanan guncangan termal yang sangat baik. Namun, grafit rentan terhadap oksidasi dan korosi oleh logam cair pada suhu tinggi.

PeranLapisan TaC:

Lapisan TaC dapat secara signifikan meningkatkan ketahanan oksidasi, ketahanan korosi, dan sifat mekanik grafit, sehingga meningkatkan potensi penerapannya di lingkungan ekstrem.

Metode dan Efek Pelapisan:

(1) Penyemprotan Plasma:

Penelitian: Trignan dkk. menggunakan penyemprotan plasma untuk mengendapkan ketebalan 150 µmlapisan TaCpada permukaan grafit, secara signifikan meningkatkan toleransi suhu tinggi. Meskipun lapisan tersebut mengandung TaC0,85 dan Ta2C pasca penyemprotan, lapisan tersebut tetap utuh tanpa retak setelah perlakuan suhu tinggi pada 2000°C.

(2) Deposisi Uap Kimia (CVD):

Penelitian: Lv dkk. menggunakan sistem TaCl5-Ar-C3H6 untuk menyiapkan lapisan multifase C-TaC pada permukaan grafit menggunakan metode CVD. Studi mereka mengungkapkan bahwa seiring dengan meningkatnya kandungan karbon dalam lapisan, koefisien gesekan menurun, yang menunjukkan ketahanan aus yang sangat baik.

(3) Metode Sintering Bubur:

Penelitian: Shen dkk. menyiapkan bubur menggunakan TaCl5 dan asetilaseton, yang diaplikasikan pada permukaan grafit dan kemudian disinter pada suhu tinggi. Hasilnyalapisan TaCpartikel berukuran sekitar 1 µm dan menunjukkan stabilitas kimia yang baik serta stabilitas suhu tinggi setelah perlakuan pada 2000°C.

Gambar 1

Gambar 1a menyajikan wadah TaC yang disiapkan melalui metode CVD, sedangkan Gambar 1b dan 1c menggambarkan kondisi wadah masing-masing dalam kondisi pertumbuhan epitaksi MOCVD-GaN dan pertumbuhan sublimasi AlN. Gambar-gambar ini menunjukkan bahwalapisan TaCtidak hanya menunjukkan ketahanan ablasi yang sangat baik pada suhu ekstrem tetapi juga menjaga stabilitas struktural yang tinggi dalam kondisi suhu tinggi.

2. Substrat Serat Karbon

Karakteristik Serat Karbon:

Serat karbon dicirikan oleh kekuatan spesifiknya yang tinggi dan modulus spesifiknya yang tinggi, serta konduktivitas listrik yang sangat baik, konduktivitas termal, ketahanan terhadap korosi asam dan alkali, dan stabilitas suhu tinggi. Namun, serat karbon cenderung kehilangan sifat unggul ini di lingkungan oksidatif bersuhu tinggi.

PeranPelapisan TaC:

Menyetorkan alapisan TaCpada permukaan serat karbon secara signifikan meningkatkan ketahanan oksidasi dan ketahanan radiasi, sehingga meningkatkan penerapannya di lingkungan bersuhu tinggi yang ekstrim.

Metode dan Efek Pelapisan:

(1) Infiltrasi Uap Kimia (CVI):

Penelitian: Chen dkk. disetorkan alapisan TaCpada serat karbon menggunakan metode CVI. Studi ini menemukan bahwa pada suhu deposisi 950-1000°C, lapisan TaC menunjukkan struktur padat dan ketahanan oksidasi yang sangat baik pada suhu tinggi.

(2) Metode Reaksi In Situ:

Penelitian: Liu dkk. menyiapkan kain TaC/PyC pada serat kapas menggunakan metode reaksi in situ. Kain ini menunjukkan efektivitas pelindung elektromagnetik yang sangat tinggi (75,0 dB), jauh lebih unggul dibandingkan kain PyC tradisional (24,4 dB).

(3) Metode Garam Cair:

Penelitian: Dong dkk. disiapkan alapisan TaCpada permukaan serat karbon menggunakan metode garam cair. Hasilnya menunjukkan bahwa lapisan ini secara signifikan meningkatkan ketahanan oksidasi serat karbon.

Gambar 2

Gambar 2: Gambar 2 menunjukkan gambar SEM dari serat karbon asli dan serat karbon berlapis TaC yang dibuat dalam kondisi berbeda, bersama dengan kurva analisis termogravimetri (TGA) dalam berbagai kondisi pelapisan.

Gambar 2a: Menampilkan morfologi serat karbon asli.

Gambar 2b: Menunjukkan morfologi permukaan serat karbon berlapis TaC yang dibuat pada 1000°C, dengan lapisan yang padat dan terdistribusi secara merata.

Gambar 2c: Kurva TGA menunjukkan bahwalapisan TaCsecara signifikan meningkatkan ketahanan oksidasi serat karbon, dengan lapisan yang dibuat pada suhu 1100°C menunjukkan ketahanan oksidasi yang unggul.

3. Matriks Komposit C/C

Karakteristik Komposit C/C:

Komposit C/C adalah komposit matriks karbon yang diperkuat serat karbon, yang dikenal dengan modulus spesifiknya yang tinggi dan kekuatan spesifiknya yang tinggi, stabilitas guncangan termal yang baik, dan ketahanan korosi suhu tinggi yang sangat baik. Mereka terutama digunakan di bidang produksi kedirgantaraan, otomotif, dan industri. Namun, komposit C/C rentan terhadap oksidasi pada lingkungan bersuhu tinggi dan memiliki plastisitas yang buruk, sehingga membatasi penerapannya pada suhu yang lebih tinggi.

PeranPelapisan TaC:

Mempersiapkan alapisan TaCpada permukaan komposit C/C dapat secara signifikan meningkatkan ketahanan ablasi, stabilitas guncangan termal, dan sifat mekaniknya, sehingga memperluas potensi penerapannya dalam kondisi ekstrem.

Metode dan Efek Pelapisan:

(1) Metode Penyemprotan Plasma:

Penelitian: Feng dkk. menyiapkan pelapis komposit HfC-TaC pada komposit C/C menggunakan metode penyemprotan plasma atmosfer supersonik (SAPS). Lapisan ini menunjukkan ketahanan ablasi yang sangat baik di bawah kerapatan fluks panas api sebesar 2,38 MW/m², dengan laju ablasi massa hanya 0,35 mg/s dan laju ablasi linier 1,05 µm/s, yang menunjukkan stabilitas luar biasa pada suhu tinggi.

(2) Metode Sol-Gel:

Penelitian: Dia dkk. siappelapis TaCpada komposit C/C menggunakan metode sol-gel dan disinter pada temperatur berbeda. Studi tersebut mengungkapkan bahwa setelah sintering pada suhu 1600°C, lapisan tersebut menunjukkan ketahanan ablasi terbaik, dengan struktur lapisan yang kontinu dan padat.

(3) Deposisi Uap Kimia (CVD):

Penelitian: Ren dkk. mendepositkan lapisan Hf(Ta)C pada komposit C/C menggunakan sistem HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar melalui metode CVD. Percobaan menunjukkan bahwa lapisan memiliki daya rekat yang kuat pada substrat, dan setelah ablasi api selama 120 detik, laju ablasi massa hanya 0,97 mg/s dengan laju ablasi linier 1,32 µm/s, yang menunjukkan ketahanan ablasi yang sangat baik.

Gambar 3

Gambar 3 menunjukkan morfologi rekahan komposit C/C dengan lapisan multilayer PyC/SiC/TaC/PyC.

Gambar 3a: Menampilkan keseluruhan morfologi rekahan lapisan, di mana struktur antar lapisan lapisan dapat diamati.

Gambar 3b: Merupakan gambar lapisan yang diperbesar, menunjukkan kondisi antarmuka antar lapisan.

Gambar 3c: Membandingkan kekuatan geser antar muka dan kekuatan lentur dari dua material berbeda, menunjukkan bahwa struktur pelapisan multilayer secara signifikan meningkatkan sifat mekanik komposit C/C.

4. Pelapisan TaC pada Bahan Berbasis Karbon Disiapkan oleh CVD

Metode CVD dapat menghasilkan kemurnian tinggi, padat, dan seragampelapis TaCpada suhu yang relatif rendah, menghindari cacat dan retakan yang biasa terlihat pada metode persiapan suhu tinggi lainnya.

Pengaruh Parameter CVD:

(1) Laju Aliran Gas:

Dengan menyesuaikan laju aliran gas selama proses CVD, morfologi permukaan dan komposisi kimia lapisan dapat dikontrol secara efektif. Misalnya, Zhang dkk. mempelajari pengaruh laju aliran gas Arlapisan TaCpertumbuhan dan menemukan bahwa peningkatan laju aliran Ar memperlambat pertumbuhan butir, menghasilkan butir yang lebih kecil dan lebih seragam.

(2) Suhu Deposisi:

Suhu pengendapan secara signifikan mempengaruhi morfologi permukaan dan komposisi kimia lapisan. Umumnya, suhu pengendapan yang lebih tinggi mempercepat laju pengendapan tetapi juga dapat meningkatkan tekanan internal, yang menyebabkan terbentuknya retakan. Chen dkk. menemukan itupelapis TaCyang dibuat pada suhu 800°C mengandung sejumlah kecil karbon bebas, sedangkan pada suhu 1000°C, pelapisnya sebagian besar terdiri dari kristal TaC.

(3) Tekanan Deposisi:

Tekanan deposisi terutama mempengaruhi ukuran butir dan laju deposisi lapisan. Studi menunjukkan bahwa ketika tekanan deposisi meningkat, laju deposisi meningkat secara signifikan, dan ukuran butir meningkat, meskipun struktur kristal lapisan sebagian besar tetap tidak berubah.

Gambar 4

Gambar 5

Gambar 4 dan 5 mengilustrasikan pengaruh laju aliran H2 dan suhu pengendapan terhadap komposisi dan ukuran butir pelapis.

Gambar 4: Menunjukkan pengaruh laju aliran H2 yang berbeda terhadap komposisipelapis TaCpada suhu 850°C dan 950°C. Ketika laju aliran H2 adalah 100 mL/menit, lapisan utamanya terdiri dari TaC dengan sedikit Ta2C. Pada suhu yang lebih tinggi, penambahan H2 menghasilkan partikel yang lebih kecil dan seragam.

Gambar 5: Menunjukkan perubahan morfologi permukaan dan ukuran butirpelapis TaCpada suhu pengendapan yang berbeda. Ketika suhu meningkat, ukuran butir secara bertahap bertambah, beralih dari butiran bulat ke butiran polihedral.

Tren Perkembangan

Tantangan Saat Ini:

Meskipunpelapis TaCmeningkatkan kinerja bahan berbasis karbon secara signifikan, perbedaan besar dalam koefisien muai panas antara TaC dan substrat karbon dapat menyebabkan keretakan dan pengelupasan pada suhu tinggi. Selain itu, satulapisan TaCmungkin masih gagal memenuhi persyaratan aplikasi dalam kondisi ekstrim tertentu.

Solusi:

(1) Sistem Pelapisan Komposit:

Untuk menutup retakan pada satu lapisan, sistem pelapisan komposit multilayer dapat digunakan. Misalnya, Feng dkk. menyiapkan pelapis HfC-TaC/HfC-SiC bergantian pada komposit C/C menggunakan metode SAPS, yang menunjukkan ketahanan ablasi yang unggul pada suhu tinggi.

(2) Sistem Pelapisan Penguat Solusi Padat:

HfC, ZrC, dan TaC memiliki struktur kristal kubik berpusat muka yang sama dan dapat membentuk larutan padat satu sama lain untuk meningkatkan ketahanan ablasi. Misalnya, Wang dkk. menyiapkan pelapis Hf(Ta)C menggunakan metode CVD, yang menunjukkan ketahanan ablasi yang sangat baik pada kondisi suhu tinggi.

(3) Sistem Pelapisan Gradien:

Lapisan gradien meningkatkan kinerja keseluruhan dengan menyediakan distribusi komposisi lapisan gradien yang berkelanjutan, yang mengurangi tekanan internal dan ketidaksesuaian dalam koefisien ekspansi termal. Li dkk. menyiapkan lapisan gradien TaC/SiC yang menunjukkan ketahanan guncangan termal yang sangat baik selama uji ablasi api pada suhu 2300°C, tanpa retak atau terkelupas.

Gambar 6

Gambar 6 menggambarkan ketahanan ablasi lapisan komposit dengan struktur berbeda. Gambar 6b ​​menunjukkan bahwa struktur pelapis bergantian mengurangi retakan pada suhu tinggi, sehingga menunjukkan ketahanan ablasi yang optimal. Sebaliknya, Gambar 6c menunjukkan bahwa lapisan multilayer rentan terkelupas pada suhu tinggi karena adanya banyak antarmuka.

Kesimpulan dan Pandangan

Makalah ini secara sistematis merangkum kemajuan penelitianpelapis TaCpada grafit, serat karbon, dan komposit C/C, membahas pengaruh parameter CVD padalapisan TaCkinerja, dan menganalisis isu-isu terkini.

Untuk memenuhi persyaratan penerapan bahan berbasis karbon dalam kondisi ekstrem, diperlukan peningkatan lebih lanjut dalam ketahanan ablasi, ketahanan oksidasi, dan stabilitas mekanis suhu tinggi pada lapisan TaC. Selain itu, penelitian di masa depan harus menyelidiki isu-isu utama dalam persiapan pelapisan CVD TaC, mendorong kemajuan dalam penerapan komersialpelapis TaC.**

---

Kami di Semicorex berspesialisasi dalam SiC/Produk grafit berlapis TaCdan teknologi CVD SiC yang diterapkan dalam manufaktur semikonduktor, jika Anda memiliki pertanyaan atau memerlukan detail tambahan, jangan ragu untuk menghubungi kami.

Hubungi telepon: +86-13567891907

Email: penjualan@semicorex.com