Pyrolytisk kulstof dyrket fra gas via kemisk dampaflejring

Pyrolytisk kulstof er et metastabilt stof – et mellemprodukt mellem grafit og amorft kulstof – der vokser på en substratoverflade gennem en kemisk dampaflejringsproces, der involverer kulstofholdige gasser (primært kulbrinter) under høje temperaturforhold. (Termodynamisk er grafit det faste kulstofmateriale med den laveste Gibbs-fri energi.)

Ⅰ. Pyrolytisk kulstof- og kemisk dampaflejring

Den proces, hvorved prækursorforbindelser gennemgår kemiske reaktioner under specifikke procesbetingelser og aflejres på overfladen af ​​et substrat for at danne en fast belægning, kaldes kemisk dampaflejring. Et skematisk diagram over hovedtrinene i den kemiske dampaflejringsproces er vist i figur 1 [2]:

(1) Forstadiet kommer ind i reaktionszonen;

(2) Forstadierne gennemgår gasfasereaktioner for at danne mellemprodukter;

a) Når temperaturen i reaktionszonen er høj eller i områder langt fra substratet, fortsætter mellemprodukterne med at reagere i gasfasen og danner faste pulvere og flygtige biprodukter. De faste pulvere sætter sig på substratoverfladen og tjener potentielt som kimdannelsessteder for overfladeaflejring, mens de flygtige biprodukter diffunderer ud af reaktionszonen;

b) Når temperaturen i reaktionszonen er lavere eller i områder tæt på aflejringssubstratet, diffunderer mellemprodukterne på substratoverfladen, hvor følgende trin finder sted:

(3) Mellemprodukterne adsorberes på substratoverfladen og undergår heterogene reaktioner, hvorved der produceres aktive aflejringsprodukter og biprodukter;

(4) De aktive aflejringsprodukter diffunderer hen over substratoverfladen og akkumuleres for at danne en kontinuerlig belægning;

(5) Gasformige biprodukter forlader området nær aflejringssubstratet;

(6) Ureageret fødegas og reaktionsbiprodukter forlader reaktionszonen.

Figur 1: Skematisk diagram over hovedtrinene i den kemiske dampaflejringsproces

Dannelsen af ​​pyrolytisk kulstof er en irreversibel entropifærdende proces, hvor kulstofatomer overgår fra en uordnet til en ordnet tilstand og fra en gasformig til en fast tilstand ved høje temperaturer. Den styres af den ultimative retning af kemisk termodynamik, samtidig med at en ikke-ligevægtsmikrostruktur opretholdes gennem kinetiske veje. En dyb forståelse af denne proces lægger ikke kun det materielle grundlag for kulstof-kulstof-kompositter, højtemperaturbelægninger og nuklear brændstofbeklædning, men giver også en dobbelt eksperimentel og teoretisk ramme for eksistensen af ​​kulstof under ekstreme forhold.

2. Fremstillingsproces og anvendelser af pyrolytisk kulstof

Pyrolytisk kulstof produceres gennem højtemperaturpyrolyse af kulbrinter ved 1200-1400 °C i et iltfrit miljø. Ved hjælp af en vertikal fluidiseret lejereaktor udføres processen gennem følgende trin: en inert gas (nitrogen eller helium) indføres fra bunden af ​​reaktionsrøret for at fluidisere de ildfaste partikler; en ekstern induktionsspole opvarmer indholdet af reaktionsrøret; og kulbrintegas indføres for at starte pyrolysereaktionen.

Figur 2: Skematisk diagram af fluidiseret leje til fremstilling af pyrolytisk kulstof [3]

Ⅲ. Pyrolytiske kulstofbelægninger til høje temperaturer

Figur 3: Termisk feltstruktur i Czochralski-krystalovn[4]

Silicium, som det mest almindelige halvledermateriale , anvendes i vid udstrækning inden for elektronik og solceller, især i form af krystallinsk silicium i solceller. Dens høje solcellekonverteringseffektivitet gør det til en kernekomponent i den solcelleindustrien. Fremstillingen af ​​monokrystallinsk silicium anvender primært Czochralski-metoden, som er meget anvendt i produktion af monokrystallinsk silicium både nationalt og internationalt på grund af dens høje produktionseffektivitet, kontrollerbare vækstproces og præcise dopingkontrol. Men efterhånden som krystalstørrelserne stiger, stiger omkostningerne ved grafittermiske felter også, især i siliciumdampmiljøer, hvor grafitkomponenter er tilbøjelige til korrosion, hvilket fører til en forkortet levetid for udstyret. For at løse disse problemer har forskere udviklet korrosionsbestandige belægninger til overflader af kulstofmaterialer, såsom pyrolytisk kulstof (PyC), siliciumcarbid (SiC) og tantalcarbid (TaC) belægninger, for at forbedre levetiden for kulstofmaterialer i korrosive miljøer med høj temperatur.

Cao et al. undersøgte forkislingskorrosionen af ​​grafit (G330-grafit og AC200C/C-kompositmaterialer) anvendt i monokrystallinske siliciumovne. De foreslog, at åbne porer, der strækker sig fra grafittens indre til overfladen, danner veje for erosion og diffusion af smeltet silicium, hvorved forkislingsprocessen af ​​kulstofmaterialerne accelereres.

Zhao et al. deponerede en pyrolytisk kulstof (PyC) belægning på grafitoverfladen via kemisk dampaflejring (CVD). Den resulterende PyC-belægning dækkede fuldstændigt grafitsubstratet og udviste en tæt struktur uden tydelige porer eller penetrerende mikrorevner. Efter behandling af det belagte grafitmateriale i et siliciumdampkorrosionsmiljø ved 1600 °C i 2 timer er belægningens tværsnitsmorfologi og EDX-testresultaterne vist i figur 4. Som vist i figur 4a forblev belægningen, selv efter siliciumætsning, tæt klæbet til substratoverfladen uden synlige revner. Analyse af elementfordelingen af ​​kulstof og silicium afslørede næsten ingen siliciumfordeling under den pyrolytiske kulstofbelægning, hvilket indikerer, at den giver fremragende beskyttelse til grafitsubstratet [5].

Figur 4: Tværsnitsmorfologi af PyC-belagt grafit efter silicidetætsning

Ⅳ. Pyrolytiske kulstofbelagte nukleare brændstoffrø

Figur 5 viser et skematisk diagram over belægningsprocessen for belagte brændselspiller, der kræves til den 10 MW højtemperatur gaskølede reaktor (HTR-10), udviklet af Institute of Nuclear Energy Technology Design ved Tsinghua University. Som en kernekomponent i højtemperatur gaskølede reaktorer påvirker ydeevnen af ​​belagte brændselspiller direkte reaktorens sikre drift. Institute of Nuclear Energy Technology Design ved Tsinghua University har med succes produceret belagte brændselspiller af TRISO-typen, der opfylder designkravene ved hjælp af kemisk dampaflejringsteknologi (CVD) i en fluidiseret lejereaktor [3].

TRISO-belagte brændselspiller består af en firelagsstruktur, der er arrangeret fra det inderste til det yderste lag som følger:

Brændstofkerne: Urandioxidmikrokugler med en diameter på cirka 500 μm;

Løst pyrolytisk kulstoflag (PyC): densitet ≤ 1.10 g/cm³, tykkelse 90 ± 18 μm;

Indre tæt pyrolytisk kulstoflag: densitet 1.9 ± 0.1 g/cm³, tykkelse 40 ± 10 μm;

Siliciumcarbid (SiC) lag: densitet > 3.18 g/cm³, tykkelse 35 ± 5 μm;

Ydre tæt pyrolytisk kulstoflag: densitet 1.9 ± 0.1 g/cm³, tykkelse 40 ± 10 μm;

Hvert lag har en klart defineret funktion:

Løst pyrolytisk kulstoflag: giver opbevaringsplads til fissionsprodukter og muliggør udvidelse af brændstofkernen

Tæt pyrolytisk kulstoflag: fungerer som en trykskal for at blokere frigivelsen af ​​fissionsprodukter

Siliciumcarbidlag: Har stærk afskærmningsevne, især mod metalliske fissionsprodukter såsom Cs, Sr og Ba

Figur 5: Skematisk diagram over belægning indkapslet af nukleare brændselspartikler

Denne forskning løste ikke blot centrale tekniske udfordringer for brændselselementer i Kinas første højtemperatur gaskølede reaktor, men lagde også et afgørende fundament for den fremtidige udvikling af højtemperatur gaskølet reaktorteknologi. Ved præcist at kontrollere aflejringsprocesparametrene for hvert lag blev der med succes produceret belagte brændselspiller med ideelle mikrostrukturer og egenskaber, hvilket sikrede reaktorens sikre og stabile drift.

En lille nuklear brændselspellet er et udtryk for utallige forskerholds utrættelige indsats, mens en tynd belægning lydløst bærer vægten af ​​et atomkraftværks sikre drift og nationens energisikkerhed – ligesom kulstofatomer, der forbinder sig hånd i hånd og danner en strålende diamant, eller de 1.4 milliarder efterkommere af Dragen, der arbejder sammen for at støtte den lyse fremtid for den store foryngelse af den kinesiske nation.

Liufang Technology har længe været dedikeret til forskning og udvikling af beskyttende belægningsprodukter til miljøer med høje temperaturer – såsom siliciumcarbid og tantalcarbid – ved hjælp af kemisk dampaflejring (CVD) samt undersøgelse af belægningsmekanismer. For nylig har virksomheden forsket i pyrolytiske kulstofbelægningsprodukter for at tilbyde komplette løsninger til kunder med behov for beskyttende belægning på tværs af en bred vifte af driftsforhold.

Hvis det halvlederudstyr, du er ansvarlig for, skal fungere i et inert miljø med høj temperatur, der kræver ekstrem kemisk inertitet og partikelkontrol, men du kæmper pga. SiC-belægninger ikke kan modstå temperaturen eller korrosion – overvej pyrolytisk kulstof. Faktisk er pyrolytisk kulstof en uerstattelig "ren kulstofrustning" inden for højtemperaturfremstilling af halvledere.

Vil du vide mere om parametrene for pyrolytisk kulstofteknologi eller få detaljer om SiC/pyrolytisk kulstof-kompositløsninger? Kontakt os venligst for yderligere information.

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

Referencer:

1. Zhang, Weigang. Kemisk dampaflejring - Fra kulbrintegasser til fast kulstof. Science Press, kapitel 1.

2. Hu, Chunxia. Teknologi til kemisk dampaflejring af metan. Doktorafhandling, Northwestern Polytechnical University.

3. Zhu, Junguo. Yang, Bing. Zhang, Bingzhong. Huang, Jintao. Xu, Shijiang. Kemisk dampaflejring af brændstofpartikler belagt i højtemperatur gaskølede reaktorer. Journal of Tsinghua University (Natural Science Edition). Bind 36, nr. 11, 1996. 65-71.

4. Jianxin Tu, Kui Hao, Caixia Huo, Ziyuan Guo, Jianhao Wang, Aijun Li, Ruicheng Bai, Zhihao Ji. Forskningsfremskridt i korrosionsbestandige belægninger af kulstofbaserede materialer til halvlederområdet. Fremskridt i materialevidenskab. 1-13.

5. Wei Zhao, Bo Zhu, Weiwei Cao. Fremstilling og egenskaber af pyrolytisk kulbelægning på kulstofmaterialer anvendt i Czochraski-enkeltkrystalsiliciumovn. Anvendt mekanik og materialer, bind 597, 2014, 170-174;

6. Robert More, J. Sines, Ling Ma, Jack Bokros, Pyrolytisk kulstof.