Pirolītiskais ogleklis, kas iegūts no gāzes, izmantojot ķīmisko tvaiku nogulsnēšanos

Pirolītiskā ogle ir metastabilā viela — starpposms starp grafītu un amorfo oglekli —, kas aug uz substrāta virsmas ķīmiskās tvaiku nogulsnēšanās procesā, kurā augstas temperatūras apstākļos iesaistās oglekli saturošas gāzes (galvenokārt ogļūdeņraži). (Termodinamiski grafīts ir cietais oglekļa materiāls ar zemāko Gibsa brīvo enerģiju.)

II. Pirolītiskais oglekļa un ķīmiskā tvaiku pārklāšana

Procesu, kurā prekursoru savienojumi īpašos procesa apstākļos pakļaujas ķīmiskām reakcijām un nogulsnējas uz substrāta virsmas, veidojot cietu pārklājumu, sauc par ķīmisko tvaiku pārklāšanu. Ķīmiskās tvaiku pārklāšanas procesa galveno posmu shematiska diagramma ir parādīta 1. attēlā [2]:

(1) Prekursors nonāk reakcijas zonā;

(2) Prekursori piedalās gāzes fāzes reakcijās, veidojot starpproduktus;

a) Kad reakcijas zonā ir augsta temperatūra vai temperatūra atrodas tālu no substrāta, starpprodukti turpina reaģēt gāzes fāzē, veidojot cietus pulverus un gaistošus blakusproduktus. Cietie pulveri nosēžas uz substrāta virsmas, potenciāli kalpojot par kodolu veidošanās vietām virsmas nogulsnēšanai, savukārt gaistošie blakusprodukti difundē ārpus reakcijas zonas;

b) Kad temperatūra reakcijas zonā ir zemāka vai atrodas apgabalos tuvu nogulsnēšanas substrātam, starpprodukti difundē uz substrāta virsmas, kur notiek šādas darbības:

(3) Starpprodukti adsorbējas uz substrāta virsmas un notiek heterogēnas reakcijas, veidojot aktīvus nogulsnēšanās produktus un blakusproduktus;

(4) Aktīvie nogulsnēšanās produkti izkliedējas pa substrāta virsmu un uzkrājas, veidojot nepārtrauktu pārklājumu;

(5) Gāzveida blakusprodukti atstāj reģionu netālu no nogulsnēšanās substrāta;

(6) Nereaģējusī padeves gāze un reakcijas blakusprodukti atstāj reakcijas zonu.

1. attēls: Ķīmiskās tvaiku uzklāšanas procesa galveno posmu shematiska diagramma

Pirolītiskās oglekļa veidošanās ir neatgriezenisks entropiju samazinošs process, kurā oglekļa atomi augstās temperatūrās pāriet no nesakārtota stāvokļa uz sakārtotu stāvokli un no gāzveida stāvokļa uz cietu stāvokli. To nosaka ķīmiskās termodinamikas galīgais virziens, vienlaikus saglabājot nevienmērīgu mikrostruktūru, izmantojot kinētiskos ceļus. Dziļa šī procesa izpratne ne tikai liek materiālo pamatu oglekļa-oglekļa kompozītmateriāliem, augstas temperatūras pārklājumiem un kodoldegvielas apšuvumam, bet arī nodrošina divkāršu eksperimentālu un teorētisku ietvaru oglekļa eksistencei ekstremālos apstākļos.

II. Pirolītiskās ogles sagatavošanas process un pielietojums

Pirolītiskā ogle tiek ražota, veicot ogļūdeņražu pirolīzi augstā temperatūrā 1200–1400 °C temperatūrā bezskābekļa vidē. Izmantojot vertikālu fluidizēta slāņa reaktoru, process tiek veikts šādos posmos: no reakcijas caurules apakšas tiek ievadīta inerta gāze (slāpeklis vai hēlijs), lai fluidizētu ugunsizturīgās daļiņas; ārēja indukcijas spole uzsilda reakcijas caurules saturu; un tiek ievadīta ogļūdeņraža gāze, lai uzsāktu pirolīzes reakciju.

2. attēls: Pirolītiskās ogles sagatavošanas fluidizētā slāņa shematiska diagramma [3]

III. Pirolītiskās oglekļa augstas temperatūras aizsargpārklājumi

3. attēls: Termiskā lauka struktūra Čohraļska kristāla krāsnī[4]

Silīcijs, kā visizplatītākais pusvadītāju materiāls , tiek plaši izmantots elektronikā un fotoelektriskajā elementā, īpaši kristāliskā silīcija veidā saules baterijās. Tā augstā fotoelektriskās konversijas efektivitāte padara to par galveno komponentu fotoelektriskajā rūpniecībā. Monokristāliskā silīcija sagatavošanā galvenokārt tiek izmantota Čohraļska metode, ko plaši izmanto monokristāliskā silīcija ražošanā gan vietējā, gan starptautiskā mērogā, pateicoties tā augstajai ražošanas efektivitātei, kontrolējamam augšanas procesam un precīzai dopinga kontrolei. Tomēr, palielinoties kristālu izmēriem, pieaug arī grafīta termisko lauku izmaksas, īpaši silīcija tvaika vidē, kur grafīta komponenti ir pakļauti korozijai, kā rezultātā saīsinās iekārtu kalpošanas laiks. Lai risinātu šīs problēmas, pētnieki ir izstrādājuši korozijizturīgus pārklājumus oglekļa materiālu virsmām, piemēram, pirolītiskā oglekļa (PyC), silīcija karbīda (SiC) un tantala karbīda (TaC) pārklājumus, lai uzlabotu oglekļa materiālu kalpošanas laiku augstas temperatūras korozīvā vidē.

Cao un līdzautori pētīja grafīta (G330 grafīta un AC200C/C kompozītmateriālu) silīcija koroziju, ko izmanto monokristāliskā silīcija krāsnīs. Viņi ierosināja, ka atvērtās poras, kas stiepjas no grafīta iekšpuses uz virsmu, nodrošina ceļus izkausēta silīcija erozijai un difūzijai, tādējādi paātrinot oglekļa materiālu silīcija veidošanās procesu.

Džao un līdzautori deponēja pirolītiskās oglekļa (PyC) pārklājums uz grafīta virsmas, izmantojot ķīmisko tvaiku pārklāšanu (CVD). Iegūtais PyC pārklājums pilnībā pārklāja grafīta substrātu un uzrādīja blīvu struktūru bez acīmredzamām porām vai caururbjošām mikroplaisām. Pēc pārklātā grafīta materiāla apstrādes silīcija tvaiku korozijas vidē 1600°C temperatūrā 2 stundas, pārklājuma šķērsgriezuma morfoloģija un EDX testa rezultāti ir parādīti 4. attēlā. Kā parādīts 4.a attēlā, pat pēc silīcija kodināšanas pārklājums palika cieši pielipis pie substrāta virsmas bez jebkādām redzamām plaisām. Oglekļa un silīcija elementu sadalījuma analīze neatklāja gandrīz nekādu silīcija sadalījumu zem pirolītiskās oglekļa pārklājuma, kas norāda, ka tas nodrošina lielisku grafīta substrāta aizsardzību [5].

4. attēls: PyC pārklāta grafīta šķērsgriezuma morfoloģija pēc silicīda kodināšanas

Ⅳ. Pirolītiski ar oglekli pārklātas kodoldegvielas sēklas

5. attēlā redzama Tsinghua universitātes Kodolenerģijas tehnoloģiju projektēšanas institūta izstrādātā 10 MW augstas temperatūras ar gāzi dzesējamā reaktora (HTR-10) pārklāšanas procesa shematiska diagramma. Kā augstas temperatūras ar gāzi dzesējamo reaktoru galvenā sastāvdaļa, pārklāto degvielas granulu veiktspēja tieši ietekmē reaktora drošu darbību. Tsinghua universitātes Kodolenerģijas tehnoloģiju projektēšanas institūts ir veiksmīgi saražojis TRISO tipa pārklātas degvielas granulas, kas atbilst konstrukcijas prasībām, izmantojot ķīmiskās tvaiku uzklāšanas (CVD) tehnoloģiju fluidizētā slāņa reaktorā [3].

TRISO tipa pārklātās degvielas granulas sastāv no četru slāņu struktūras, kas no iekšējā līdz ārējam slānim ir sakārtotas šādi:

Degvielas aktīvā zona: urāna dioksīda mikrosfēras ar aptuveni 500 μm diametru;

Irdenā pirolītiskās oglekļa (PyC) kārta: blīvums ≤ 1.10 g/cm³, biezums 90 ± 18 μm;

Iekšējais blīvais pirolītiskās oglekļa slānis: blīvums 1.9 ± 0.1 g/cm³, biezums 40 ± 10 μm;

Silīcija karbīda (SiC) slānis: blīvums > 3.18 g/cm³, biezums 35 ± 5 μm;

Ārējais blīvais pirolītiskās oglekļa slānis: blīvums 1.9 ± 0.1 g/cm³, biezums 40 ± 10 μm;

Katram slānim ir skaidri definēta funkcija:

Vaļīgs pirolītiskais oglekļa slānis: nodrošina uzglabāšanas vietu skaldīšanās produktiem un veicina degvielas serdes izplešanos

Blīvs pirolītiskais oglekļa slānis: darbojas kā spiediena apvalks, lai bloķētu skaldīšanās produktu izdalīšanos

Silīcija karbīda slānis: Tam ir spēcīga ekranēšanas spēja, īpaši pret metālu dalīšanās produktiem, piemēram, Cs, Sr un Ba.

5. attēls: Kodoldegvielas daļiņu iekapsulētā pārklājuma shematiska diagramma

Šis pētījums ne tikai atrisināja galvenās tehniskās problēmas, kas saistītas ar degvielas elementiem Ķīnas pirmajā augstas temperatūras ar gāzi dzesējamajā reaktorā, bet arī lika būtisku pamatu augstas temperatūras ar gāzi dzesējamo reaktoru tehnoloģiju turpmākai attīstībai. Precīzi kontrolējot katra slāņa uzklāšanas procesa parametrus, tika veiksmīgi izgatavotas pārklātas degvielas granulas ar ideālu mikrostruktūru un īpašībām, nodrošinot reaktora drošu un stabilu darbību.

Neliela kodoldegvielas tablete iemieso neskaitāmu pētnieku komandu nenogurstošo darbu, savukārt plāns pārklājums klusībā nes atomelektrostacijas drošas darbības un valsts enerģētiskās drošības svaru — līdzīgi kā oglekļa atomi, kas roku rokā savienojas, veidojot spožu dimantu, vai 1.4 miljardi Pūķa pēcteču, kas kopīgi strādā, lai atbalstītu Ķīnas nācijas lielās atjaunošanās gaišo nākotni.

Liufang Technology jau sen ir veltījusi sevi augstas temperatūras vidēm paredzētu aizsargpārklājumu produktu, piemēram, silīcija karbīda un tantala karbīda, izpētei un izstrādei, izmantojot ķīmiskās tvaiku uzklāšanas (CVD) metodes, kā arī pārklāšanas mehānismu izpētei. Nesen uzņēmums ir veicis pētījumus par pirolītiskās oglekļa pārklājumu produktiem, lai nodrošinātu pilna servisa risinājumus klientiem ar aizsargpārklājuma vajadzībām plašā darbības apstākļu klāstā.

Ja pusvadītāju iekārtai, par kuru esat atbildīgs, ir jādarbojas inertā, augstas temperatūras vidē, kas prasa ārkārtēju ķīmisko inerci un daļiņu kontroli, bet jums ir grūtības, jo SiC pārklājumi neiztur temperatūru vai koroziju — apsveriet pirolītisko ogli. Patiesībā pirolītiskā ogle ir neaizstājama "tīra oglekļa bruņa" augstas temperatūras pusvadītāju ražošanas procesos.

Vai vēlaties uzzināt vairāk par pirolītiskās oglekļa tehnoloģijas parametriem vai iegūt sīkāku informāciju par SiC/pirolītiskās oglekļa kompozītmateriālu risinājumiem? Lūdzu, sazinieties ar mums, lai iegūtu papildinformāciju.

-------------------------------------------------- ---

Norādes:

1. Džans, Veigangs. Ķīmiskā tvaiku pārklāšana — no ogļūdeņražu gāzēm līdz cietam ogleklim. Science Press, 1. nodaļa.

2. Hu, Čunsia. Metāna ķīmiskās tvaiku pārklāšanas tehnoloģija. Doktora disertācija, Ziemeļrietumu Politehniskā universitāte.

3. Džu, Džunguo. Jangs, Bins. Džans, Binžongs. Huangs, Dzjintao. Sju, Šidzjans. Ķīmiskā tvaiku pārklāšana ar degvielas daļiņām, kas pārklātas augstas temperatūras gāzes dzesēšanas reaktoros. Tsinghua Universitātes žurnāls (Dabaszinātņu izdevums). 36. sēj., 11. nr., 1996., 65.–71. lpp.

4. Jianxin Tu, Kui Hao, Caixia Huo, Ziyuan Guo, Jianhao Wang, Aijun Li, Ruicheng Bai, Zhihao Ji. Pētījumi par koroziju izturīgiem pārklājumiem no oglekļa bāzes pusvadītāju laukam. Progress materiālzinātnē. 1-13.

5. Vei Džao, Bo Džu, Veivei Cao. Pirolītiska oglekļa pārklājuma sagatavošana un īpašības uz oglekļa materiāliem, ko izmanto Čočraski monokristāla silīcija krāsnī. Lietišķā mehānika un materiāli, 597. sēj., 2014. g., 170.–174. lpp.;

6. Roberts Mors, Dž. Sainss, Lins Ma, Džeks Bokross, Pirolītiskā ogle.