탄소 기반 소재 표면의 TaC 코팅 연구 진행

연구배경

흑연, 탄소섬유, 탄소/탄소(C/C) 복합재 등의 탄소 기반 소재는 높은 비강도, 높은 비계수, 우수한 열적 특성으로 알려져 있어 광범위한 고온 응용 분야에 적합합니다. . 이러한 재료는 항공우주, 화학공학, 에너지 저장 분야에서 널리 활용됩니다. 그러나 고온 환경에서 산화 및 부식에 대한 민감성과 열악한 긁힘 저항성으로 인해 추가 적용이 제한됩니다.

기술 발전으로 인해 기존 탄소 기반 소재는 특히 내산화성 및 내부식성과 같은 극한 환경의 엄격한 요구 사항을 점점 더 충족할 수 없게 되었습니다. 따라서 이들 소재의 성능을 향상시키는 것이 핵심 연구 방향이 되었다.

탄탈륨탄화물(TaC)은 녹는점이 매우 높고(3880°C) 고온 기계적 안정성과 내식성이 우수한 소재입니다. 또한 탄소 기반 재료와 우수한 화학적 호환성을 나타냅니다.TaC 코팅탄소 기반 소재의 내산화성과 기계적 특성을 크게 향상시켜 극한 환경에서의 적용 범위를 넓힐 수 있습니다.

탄소 기반 소재 표면의 TaC 코팅 연구 진행

1. 흑연 기판

흑연의 장점:

흑연은 높은 내열성(융점 약 3850°C), 높은 열 전도성, 우수한 열충격 저항성으로 인해 고온 야금, 에너지 배터리, 반도체 제조에 널리 사용됩니다. 그러나 흑연은 고온에서 용융 금속에 의해 산화 및 부식되기 쉽습니다.

역할TaC 코팅:

TaC 코팅은 흑연의 내산화성, 내식성 및 기계적 특성을 크게 향상시켜 극한 환경에서의 적용 가능성을 향상시킵니다.

코팅 방법 및 효과:

(1) 플라즈마 분사:

연구: Trignan et al. 플라즈마 스프레이를 사용하여 150μm 두께의 증착TaC 코팅흑연 표면에 고온 내성을 크게 향상시킵니다. 스프레이 후 코팅에 TaC0.85 및 Ta2C가 포함되어 있음에도 불구하고 2000°C의 고온 처리 후에도 균열 없이 그대로 유지되었습니다.

(2) 화학 기상 증착(CVD):

연구: Lv et al. TaCl5-Ar-C3H6 시스템을 사용하여 CVD 방법을 사용하여 흑연 표면에 C-TaC 다상 코팅을 준비했습니다. 그들의 연구에 따르면 코팅의 탄소 함량이 증가함에 따라 마찰 계수가 감소하여 내마모성이 우수함을 나타냅니다.

(3) 슬러리 소결 방법:

연구: Shen et al. TaCl5와 아세틸아세톤을 이용하여 슬러리를 제조하고 이를 흑연 표면에 도포한 후 고온 소결하였다. 결과TaC 코팅입자 크기는 약 1μm였으며 2000°C에서 처리한 후 우수한 화학적 안정성과 고온 안정성을 나타냈습니다.

그림 1

그림 1a는 CVD 방법을 통해 제조된 TaC 도가니를 나타내고, 그림 1b와 1c는 각각 MOCVD-GaN 에피택셜 성장 및 AlN 승화 성장 조건에서 도가니의 상태를 보여줍니다. 이 이미지는TaC 코팅극한의 온도에서 우수한 내마모성을 나타낼 뿐만 아니라 고온 조건에서도 높은 구조적 안정성을 유지합니다.

2. 탄소섬유 기판

탄소 섬유의 특성:

탄소섬유는 높은 비강도와 높은 비탄성률을 갖고 있으며 전기전도도, 열전도도, 산 및 알칼리 내식성, 고온 안정성이 우수한 것이 특징입니다. 그러나 탄소 섬유는 고온 산화 환경에서 이러한 우수한 특성을 잃는 경향이 있습니다.

역할TaC코팅:

입금TaC 코팅탄소섬유 표면의 내산화성과 내방사선성을 대폭 향상시켜 극고온 환경에서의 적용성을 향상시킵니다.

코팅 방법 및 효과:

(1) 화학 증기 침투(CVI):

연구: Chen et al. 예금TaC 코팅CVI 방법을 사용하여 탄소 섬유에. 연구 결과, 950~1000°C의 증착 온도에서 TaC 코팅이 치밀한 구조를 나타내고 고온에서 탁월한 내산화성을 나타내는 것으로 나타났습니다.

(2) 현장 반응 방법:

연구: Liu et al. in situ 반응법을 사용하여 면섬유 위에 TaC/PyC 직물을 제조했습니다. 이 직물은 기존 PyC 직물(24.4dB)보다 훨씬 뛰어난 매우 높은 전자파 차폐 효과(75.0dB)를 보여주었습니다.

(3) 용융염법:

연구: Dong et al. 준비했다TaC 코팅용융염법을 이용하여 탄소섬유 표면에 결과는 이 코팅이 탄소 섬유의 내산화성을 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다.

그림 2

그림 2: 그림 2는 다양한 코팅 조건에서의 열중량 분석(TGA) 곡선과 함께 다양한 조건에서 제조된 원본 탄소 섬유와 TaC 코팅 탄소 섬유의 SEM 이미지를 보여줍니다.

그림 2a: 원래 탄소 섬유의 형태를 표시합니다.

그림 2b: 1000°C에서 제조된 TaC 코팅 탄소 섬유의 표면 형태를 보여줍니다. 코팅은 조밀하고 균일하게 분포되어 있습니다.

그림 2c: TGA 곡선은TaC 코팅1100°C에서 제조된 코팅은 우수한 내산화성을 보여주어 탄소섬유의 내산화성을 크게 향상시킵니다.

3. C/C 복합 매트릭스

C/C 복합재의 특성:

C/C 복합재료는 탄소섬유 강화 탄소 매트릭스 복합재료로 높은 비탄성계수와 높은 비강도, 우수한 열충격 안정성, 우수한 고온 내식성을 지닌 것으로 알려져 있습니다. 주로 항공우주, 자동차, 산업 생산 분야에서 사용됩니다. 그러나 C/C 복합재는 고온 환경에서 산화되기 쉽고 가소성이 낮아 고온에서의 적용이 제한됩니다.

역할TaC코팅:

준비TaC 코팅C/C 복합재 표면의 내마모성, 열충격 안정성 및 기계적 특성을 크게 향상시켜 극한 조건에서 잠재적인 응용 범위를 확대할 수 있습니다.

코팅 방법 및 효과:

(1) 플라즈마 분사 방법:

연구: Feng et al. 초음속 대기 플라즈마 분사(SAPS) 방법을 사용하여 C/C 복합재에 HfC-TaC 복합 코팅을 준비했습니다. 이 코팅은 2.38MW/m²의 화염 열유속 밀도에서 우수한 내마모성을 나타냈으며, 질량 제거 속도는 0.35mg/s에 불과하고 선형 제거 속도는 1.05μm/s로 고온에서 탁월한 안정성을 나타냈습니다.

(2) 졸겔법:

연구: He et al. 준비된TaC 코팅졸-겔 방법을 사용하여 C/C 복합재에 다양한 온도에서 소결했습니다. 연구에 따르면 1600°C에서 소결한 후 코팅은 연속적이고 조밀한 층 구조를 통해 최고의 내마모성을 나타냈습니다.

(3) 화학기상증착법(CVD):

연구: Ren et al. CVD 방법을 통해 HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar 시스템을 사용하여 C/C 복합재에 Hf(Ta)C 코팅을 증착했습니다. 실험에 따르면 코팅은 기판에 강한 접착력을 갖고 있으며 120초의 화염 제거 후 질량 제거 속도는 1.32μm/s의 선형 제거 속도로 0.97mg/s에 불과하여 우수한 제거 저항성을 입증했습니다.

그림 3

그림 3은 다층 PyC/SiC/TaC/PyC 코팅이 적용된 C/C 복합재의 파괴 형태를 보여줍니다.

그림 3a: 코팅의 층간 구조를 관찰할 수 있는 코팅의 전체 파괴 형태를 표시합니다.

그림 3b: 코팅의 확대 이미지로, 층 사이의 경계면 상태를 보여줍니다.

그림 3c: 두 가지 재료의 계면 전단 강도와 굴곡 강도를 비교하여 다층 코팅 구조가 C/C 복합재의 기계적 특성을 크게 향상시키는 것을 나타냅니다.

4. CVD를 통해 제조된 탄소 기반 재료의 TaC 코팅

CVD 공법은 고순도, 치밀하고 균일한 생산이 가능합니다.TaC 코팅상대적으로 낮은 온도에서 다른 고온 준비 방법에서 흔히 볼 수 있는 결함과 균열을 방지합니다.

CVD 매개변수의 영향:

(1) 가스 유량:

CVD 공정 중 가스 유량을 조정함으로써 코팅의 표면 형태와 화학적 조성을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 예를 들어, Zhang et al. Ar 가스 유량이 다음에 미치는 영향을 연구했습니다.TaC 코팅Ar 유량을 증가시키면 결정립 성장이 느려지고 더 작고 균일한 결정립이 생성된다는 사실을 발견했습니다.

(2) 증착 온도:

증착 온도는 코팅의 표면 형태와 화학적 조성에 큰 영향을 미칩니다. 일반적으로 증착 온도가 높을수록 증착 속도가 빨라지지만 내부 응력도 증가하여 균열이 발생할 수 있습니다. Chenet al. 그것을 발견TaC 코팅800°C에서 제조된 코팅은 소량의 유리 탄소를 함유한 반면, 1000°C에서 코팅은 주로 TaC 결정으로 구성되었습니다.

(3) 증착 압력:

증착 압력은 주로 코팅의 입자 크기와 증착 속도에 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 증착 압력이 증가하면 코팅의 결정 구조는 크게 변하지 않지만 증착 속도가 크게 향상되고 입자 크기가 증가하는 것으로 나타났습니다.

그림 4

그림 5

그림 4와 5는 H2 유속과 증착 온도가 코팅의 조성과 입자 크기에 미치는 영향을 보여줍니다.

그림 4: 서로 다른 H2 유량이 조성에 미치는 영향을 보여줍니다.TaC 코팅850°C 및 950°C에서. H2 유속이 100mL/min일 때 코팅은 주로 TaC와 소량의 Ta2C로 구성됩니다. 더 높은 온도에서 H2를 첨가하면 더 작고 더 균일한 입자가 생성됩니다.

그림 5: 표면 형태와 입자 크기의 변화를 보여줍니다.TaC 코팅다른 증착 온도에서. 온도가 증가함에 따라 입자 크기가 점차 커지며 구형에서 다면체 입자로 전환됩니다.

개발 동향

현재 과제:

하지만TaC 코팅탄소 기반 재료의 성능을 크게 향상시키려면 TaC와 탄소 기판 사이의 열팽창 계수 차이가 커서 고온에서 균열과 박리가 발생할 수 있습니다. 추가적으로, 단일TaC 코팅특정 극한 상황에서는 여전히 신청 요구 사항을 충족하지 못할 수 있습니다.

솔루션:

(1) 복합 코팅 시스템:

단일 코팅의 균열을 밀봉하기 위해 다층 복합 코팅 시스템을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, Feng et al. 고온에서 우수한 내마모성을 나타내는 SAPS 방법을 사용하여 C/C 복합재에 교대로 HfC-TaC/HfC-SiC 코팅을 제조했습니다.

(2) 고용체 강화 코팅 시스템:

HfC, ZrC 및 TaC는 동일한 면심 입방 결정 구조를 가지며 서로 고용체를 형성하여 내마모성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 왕 외. 고온 조건에서 우수한 내마모성을 나타내는 CVD 방법을 사용하여 Hf(Ta)C 코팅을 제조했습니다.

(3) 그라데이션 코팅 시스템:

구배 코팅은 내부 응력과 열팽창 계수의 불일치를 줄이는 코팅 구성의 지속적인 구배 분포를 제공함으로써 전반적인 성능을 향상시킵니다. Li et al. TaC/SiC 구배 코팅은 2300°C의 화염 제거 테스트에서 균열이나 박리가 관찰되지 않고 탁월한 열충격 저항성을 입증했습니다.

그림 6

그림 6은 다양한 구조의 복합 코팅의 내마모성을 보여줍니다. 그림 6b는 교대 코팅 구조가 고온에서 균열을 줄여 최적의 내마모성을 나타냄을 보여줍니다. 대조적으로, 그림 6c는 다층 코팅이 다중 인터페이스의 존재로 인해 고온에서 부서지는 경향이 있음을 나타냅니다.

결론 및 전망

본 논문은 의 연구 진행 상황을 체계적으로 요약한 것이다.TaC 코팅흑연, 탄소 섬유 및 C/C 복합재에 대한 CVD 매개변수의 영향에 대해 논의합니다.TaC 코팅성능을 확인하고 현안을 분석합니다.

극한 조건에서 탄소 기반 재료의 적용 요구 사항을 충족하려면 TaC 코팅의 내마모성, 내산화성 및 고온 기계적 안정성의 추가 개선이 필요합니다. 또한 향후 연구에서는 CVD TaC 코팅 준비의 주요 문제를 조사하여 CVD TaC 코팅의 상업적 응용 분야의 발전을 촉진해야 합니다.TaC 코팅.**

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