Kolefni sem er ræktað úr gasi með efnafræðilegri gufuútfellingu

Kolefni með brennisteinsmyndun (pyrolytic carbide) er stöðugt efni – millistig grafíts og ókristallaðs kolefnis – sem vex á yfirborði undirlags með efnafræðilegri gufuútfellingu sem felur í sér kolefnisinnihaldandi lofttegundir (aðallega kolvetni) við háan hita. (Varmafræðilega séð er grafít fasta kolefnisefnið með lægstu Gibbs-fríorkuna.)

Ⅰ. Útfelling kolefnis með brennandi efni og efnagufu

Ferlið þar sem forverasambönd gangast undir efnahvörf við ákveðin ferlisskilyrði og setjast á yfirborð undirlags til að mynda fasta húð kallast efnafræðileg gufuútfelling. Skýringarmynd af helstu skrefunum í efnafræðilegri gufuútfellingarferlinu er sýnd á mynd 1 [2]:

(1) Forverinn fer inn í hvarfsvæðið;

(2) Forverarnir gangast undir gasfasahvörf til að mynda milliefni;

a) Þegar hitastigið í hvarfsvæðinu er hátt eða á svæðum fjarri undirlaginu, halda milliefnin áfram að hvarfast í gasfasa og mynda fast duft og rokgjörn aukaafurðir. Föstu duftin setjast á yfirborð undirlagsins og geta hugsanlega þjónað sem kjarnamyndunarstaðir fyrir yfirborðsútfellingu, en rokgjörn aukaafurðir dreifast út úr hvarfsvæðinu;

b) Þegar hitastigið í hvarfsvæðinu er lægra eða á svæðum nálægt útfellingargrunninum, dreifast milliefnin á yfirborð undirlagsins, þar sem eftirfarandi skref eiga sér stað:

(3) Milliefnin aðsogast á yfirborð undirlagsins og gangast undir ólíkar efnahvarfa, sem myndar virkar útfellingarafurðir og aukaafurðir;

(4) Virku útfellingarefnin dreifast yfir yfirborð undirlagsins og safnast fyrir og mynda samfellda húð;

(5) Loftkenndar aukaafurðir yfirgefa svæðið nálægt setlagsgrunninum;

(6) Óhvarfað hráefnisgas og aukaafurðir viðbragða fara úr viðbragðssvæðinu.

Mynd 1: Skýringarmynd af helstu skrefum í efnafræðilegri gufuútfellingu

Myndun brennisteins kolefnis er óafturkræft ferli sem minnkar entropíu þar sem kolefnisatóm breytast úr óreglulegu ástandi í skipulagt ástand og úr gaskenndu ástandi í fast ástand við hátt hitastig. Þetta er stjórnað af endanlegri stefnu efnavarmafræðinnar en viðheldur samt ójafnvægis örbyggingu í gegnum hvarfhraðaleiðir. Djúp skilningur á þessu ferli leggur ekki aðeins grunninn að kolefnis-kolefnis samsettum efnum, háhitahúðunum og kjarnorkueldsneytisklæðningum heldur veitir einnig tvöfalt tilrauna- og fræðilegt rammaverk fyrir tilvist kolefnis við öfgakenndar aðstæður.

Ⅱ. Undirbúningsferli og notkun brennsluefnis

Kolefni sem myndast við hitasundrun við háan hita á kolvetnum við 1200–1400°C í súrefnislausu umhverfi. Með því að nota lóðréttan hvarfbeðshvarf er ferlið framkvæmt með eftirfarandi skrefum: óvirku gasi (köfnunarefni eða helíum) er leitt inn frá botni hvarfrörsins til að gera eldföstu agnirnar fljótandi; ytri spóla hitar innihald hvarfrörsins; og kolvetnisgasi er leitt inn til að hefja hitasundrunina.

Mynd 2: Skýringarmynd af fljótandi rúmi fyrir undirbúning á brennandi kolefni [3]

Ⅲ. Hlífðarhúðun með brennisteinshita gegn háum hita

Mynd 3: Uppbygging hitasviðs í Czochralski kristalofni[4]

Kísill, sem algengasta hálfleiðara efni , er mikið notað í rafeindatækni og sólarorku, sérstaklega í formi kristallaðs kísils í sólarsellum. Mikil sólarorkuumbreytingarnýtni þess gerir það að kjarnaþætti í sólarorkuiðnaðinum. Við framleiðslu á einkristallaðri kísill er aðallega notað Czochralski-aðferðin, sem er mikið notuð í framleiðslu á einkristallaðri kísill bæði innanlands og á alþjóðavettvangi vegna mikillar framleiðsluhagkvæmni, stjórnanlegs vaxtarferlis og nákvæmrar lyfjamisnotkunar. Hins vegar, þegar kristallastærð eykst, eykst kostnaður við grafíthitasvið einnig, sérstaklega í kísillgufuumhverfi þar sem grafítíhlutir eru viðkvæmir fyrir tæringu, sem leiðir til styttri líftíma búnaðar. Til að takast á við þessi vandamál hafa vísindamenn þróað tæringarþolnar húðanir fyrir yfirborð kolefnisefna, svo sem hitaleiðandi kolefni (PyC), kísilkarbíð (SiC) og tantalkarbíð (TaC) húðanir, til að auka endingartíma kolefnisefna í tærandi umhverfi við hátt hitastig.

Cao o.fl. rannsökuðu kísilmyndunartæringu grafíts (G330 grafít og AC200C/C samsett efni) sem notað er í einkristallaðri kísilofnum. Þeir lögðu til að opnar svigrúm sem teygja sig frá innra byrði grafítsins að yfirborðinu mynduðu leiðir fyrir rof og dreifingu bráðins kísils og þar með flýttu fyrir kísilmyndunarferli kolefnisefnanna.

Zhao o.fl. lögðu fram Húðun með brennandi kolefni (PyC) á grafítyfirborðinu með efnagufuútfellingu (CVD). PyC húðunin sem myndaðist huldi grafítyfirborðið að fullu og sýndi þétta uppbyggingu án augljósra svitahola eða örsprungna. Eftir að húðaða grafítyfirborðið var meðhöndlað í kísilgufutæringarumhverfi við 1600°C í 2 klukkustundir, eru þversniðsformgerð húðunarinnar og niðurstöður EDX prófunarinnar sýndar á mynd 4. Eins og sést á mynd 4a, jafnvel eftir kísiletsun, hélt húðunin sér vel við yfirborð undirlagsins án sýnilegra sprungna. Greining á frumefnadreifingu kolefnis og kísils leiddi í ljós nánast enga kísildreifingu undir brennandi kolefnishúðuninni, sem bendir til þess að hún veiti grafítyfirborðinu framúrskarandi vörn [5].

Mynd 4: Þversniðsformgerð PyC-húðaðs grafíts eftir sílikíðetsun

Ⅳ. Kjarnorkueldsneytisfræ húðuð með brennisteinsbrunni

Mynd 5 sýnir skýringarmynd af húðunarferlinu fyrir húðaðar eldsneytiskúlur sem þarf fyrir 10 MW háhita gaskældan hvarfkjarna (HTR-10), sem þróaður var af Stofnun kjarnorkutæknihönnunar við Tsinghua háskóla. Sem kjarnþáttur í háhita gaskældum hvarfkjarna hefur afköst húðaðra eldsneytiskúlna bein áhrif á öryggi reksturs hvarfkjarna. Stofnun kjarnorkutæknihönnunar við Tsinghua háskóla hefur með góðum árangri framleitt húðaðar eldsneytiskúlur af TRISO-gerð sem uppfylla hönnunarkröfur með því að nota efnagufuútfellingartækni (CVD) í fljótandi rúmshvarfkjarna [3].

TRISO-húðaðar eldsneytiskúlur eru fjögurra laga uppbygging, raðað frá innsta til ysta lagsins á eftirfarandi hátt:

Eldsneytiskjarni: Örkúlur úrantíoxíðs með þvermál um það bil 500 μm;

Laust lag af brennandi kolefni (PyC): eðlisþyngd ≤ 1.10 g/cm³, þykkt 90 ± 18 μm;

Innra þétt hitabrjótanlegt kolefnislag: eðlisþyngd 1.9 ± 0.1 g/cm³, þykkt 40 ± 10 μm;

Kísilkarbíðlag (SiC): eðlisþyngd > 3.18 g/cm³, þykkt 35 ± 5 μm;

Ytra þétt hitabrjótanlegt kolefnislag: eðlisþyngd 1.9 ± 0.1 g/cm³, þykkt 40 ± 10 μm;

Hvert lag hefur skýrt skilgreint hlutverk:

Laust lag af brennandi kolefni: Gefur geymslurými fyrir klofnunarefni og rúmar útþenslu eldsneytiskjarna

Þétt brennandi kolefnislag: virkar sem þrýstiskel til að hindra losun klofnunarafurða

Kísilkarbíðlag: Hefur sterka varnargetu, sérstaklega gegn klofnunarefnum málmkenndum eins og Cs, Sr og Ba.

Mynd 5: Skýringarmynd af húðun sem er innlimuð með kjarnorkueldsneytisögnum

Þessi rannsókn leysti ekki aðeins helstu tæknilegu áskoranirnar varðandi eldsneytisþætti í fyrsta háhita gaskælda hvarfefni Kína heldur lagði einnig mikilvægan grunn að framtíðarþróun háhita gaskældra hvarfefna. Með því að stjórna nákvæmlega útfellingarferlisbreytum hvers lags voru húðaðar eldsneytiskúlur með kjörinn örbyggingu og eiginleikum framleiddar, sem tryggir öruggan og stöðugan rekstur hvarfefnisins.

Örsmátt kjarnorkueldsneytisblað er dæmi um óþreytandi vinnu ótal rannsóknarteyma, á meðan þunnt lag ber hljóðlega þunga öruggs rekstrar kjarnorkuvera og orkuöryggis þjóðarinnar – líkt og kolefnisatóm sem tengjast hönd í hönd og mynda skínandi demant, eða 1.4 milljarðar afkomenda Drekans sem vinna saman að því að styðja við bjarta framtíð hinnar miklu endurnýjunar kínversku þjóðar.

Liufang Technology hefur lengi helgað sig rannsóknum og þróun á verndarhúðunarvörum fyrir umhverfi við háan hita — svo sem kísilkarbíð og tantalkarbíð — með því að nota efnafræðilega gufuútfellingu (CVD), sem og rannsóknum á húðunarferlum. Undanfarið hefur fyrirtækið stundað rannsóknir á hitaleiðandi kolefnishúðunarvörum til að veita viðskiptavinum sem þurfa á verndarhúðun að halda heildarlausnir við fjölbreytt rekstrarskilyrði.

Ef hálfleiðarabúnaðurinn sem þú berð ábyrgð á þarf að starfa í óvirku umhverfi við háan hita, sem krefst mikillar efnaóvirkni og agnastýringar, en þú átt í erfiðleikum vegna þess að SiC húðun þolir ekki hitastig eða tæringu — íhugaðu brennandi kolefni. Reyndar er brennandi kolefni ómissandi „hreint kolefnisbrynja“ á sviði framleiðsluferla fyrir hálfleiðara við háan hita.

Viltu læra meira um tæknibreytur fyrir hitaleiðandi kolefni eða fá upplýsingar um SiC/hitleiðandi kolefnissamsetningarlausnir? Hafðu samband við okkur til að fá frekari upplýsingar.

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

Tilvísanir:

1. Zhang, Weigang. Efnafræðileg gufuútfelling - Frá kolvetnisgasi til fasts kolefnis. Science Press, 1. kafli.

2. Hu, Chunxia. Tækni til að útfella metan með efnagufu. Doktorsritgerð, Northwestern Polytechnical University.

3. Zhu, Junguo. Yang, Bing. Zhang, Bingzhong. Huang, Jintao. Xu, Shijiang. Efnafræðileg gufuútfelling eldsneytisagna sem húðaðar eru í háhita gaskældum hvarfefnum. Tímarit Tsinghua-háskóla (Náttúruvísindaútgáfa). 36. bindi, nr. 11, 1996. 65-71.

4. Jianxin Tu, Kui Hao, Caixia Huo, Ziyuan Guo, Jianhao Wang, Aijun Li, Ruicheng Bai, Zhihao Ji. Framfarir rannsókna á tæringarþolinni húðun kolefnisbundinna efna fyrir hálfleiðarasviðið. Framfarir í efnisfræði. 1-13.

5. Wei Zhao, Bo Zhu, Weiwei Cao. Undirbúningur og eiginleikar brennsluhúðunar á kolefnisefnum sem notuð eru í Czochraski einkristalla kísilofni. Hagnýt aflfræði og efni, bindi 597, 2014, 170-174;

6. Robert More, J. Sines, Ling Ma, Jack Bokros, Kolefnisbræðsla með brennsluhita.