Pirolizės anglis, išgauta iš dujų cheminio garų nusodinimo būdu

Pirolizės anglis yra metastabili medžiaga – tarpinė medžiaga tarp grafito ir amorfinės anglies – kuri auga ant substrato paviršiaus cheminio garų nusodinimo proceso metu, kai aukštoje temperatūroje dalyvauja anglies turinčios dujos (daugiausia angliavandeniliai). (Termodinamiškai grafitas yra kieta anglies medžiaga, turinti mažiausią Gibso laisvąją energiją.)

II. Pirolizės anglies ir cheminis garų nusodinimas

Procesas, kurio metu pirmtakų junginiai tam tikromis sąlygomis chemiškai reaguoja ir nusėda ant pagrindo paviršiaus, sudarydami kietą dangą, vadinamas cheminiu garų nusodinimu. Pagrindinių cheminio garų nusodinimo proceso etapų schema parodyta 1 paveiksle [2]:

(1) Pirmtakas patenka į reakcijos zoną;

(2) Pirmtakai reaguoja dujų fazėje ir sudaro tarpinius produktus;

a) Kai reakcijos zonoje temperatūra yra aukšta arba ji yra toli nuo substrato, tarpiniai produktai toliau reaguoja dujų fazėje, sudarydami kietus miltelius ir lakiuosius šalutinius produktus. Kieti milteliai nusėda ant substrato paviršiaus, potencialiai tarnaudami kaip kristalizacijos vietos paviršinėms nuosėdoms, o lakieji šalutiniai produktai difunduoja už reakcijos zonos ribų;

b) Kai reakcijos zonos temperatūra yra žemesnė arba regionuose, arti nusodinimo substrato, tarpiniai produktai difunduoja ant substrato paviršiaus, kur vyksta šie etapai:

(3) Tarpiniai produktai adsorbuojasi ant substrato paviršiaus ir vyksta nevienalytės reakcijos, susidarant aktyviems nusėdimo produktams ir šalutiniams produktams;

(4) Aktyvūs nusėdimo produktai pasklinda po substrato paviršių ir kaupiasi, sudarydami ištisinę dangą;

(5) Dujiniai šalutiniai produktai palieka regioną šalia nusodinimo substrato;

(6) Nesureagavusios tiekiamos dujos ir reakcijos šalutiniai produktai palieka reakcijos zoną.

1 pav.: Cheminio garinimo nusodinimo proceso pagrindinių etapų schema

Pirolizės anglies susidarymas yra negrįžtamas entropiją mažinantis procesas, kurio metu anglies atomai aukštoje temperatūroje pereina iš netvarkingos į tvarkingą būseną ir iš dujinės į kietą būseną. Jį lemia galutinė cheminės termodinamikos kryptis, tuo pačiu išlaikant nepusiausvyrinę mikrostruktūrą per kinetinius kelius. Gilus šio proceso supratimas ne tik kloja medžiagų pagrindą anglies-anglies kompozitams, aukštatemperatūrinėms dangoms ir branduolinio kuro apvalkalams, bet ir suteikia dvigubą eksperimentinį bei teorinį pagrindą anglies egzistavimui ekstremaliomis sąlygomis.

II. Pirolizės anglies paruošimo procesas ir panaudojimas

Pirolizės anglis gaminama aukštoje temperatūroje, 1200–1400 °C temperatūroje, bedeguonėje aplinkoje, vykdant angliavandenilių pirolizę. Naudojant vertikalų fluidizuoto sluoksnio reaktorių, procesas atliekamas šiais etapais: iš reakcijos vamzdelio dugno įvedamos inertinės dujos (azotas arba helis), kad suskystintų ugniai atsparias daleles; išorinė indukcinė ritė kaitina reakcijos vamzdelio turinį; ir įvedamos angliavandenilių dujos, kad būtų pradėta pirolizės reakcija.

2 pav.: Pirolizės anglies ruošimui skirto skystojo sluoksnio schema [3]

III. Pirolizės anglies aukštos temperatūros apsauginės dangos

3 pav.: Čochralskio kristalinės krosnies terminio lauko struktūra[4]

Silicis, kaip labiausiai paplitęs puslaidininkinė medžiaga , yra plačiai naudojamas elektronikoje ir fotovoltinėje medžiagoje, ypač kristalinio silicio pavidalu saulės elementuose. Dėl didelio fotovoltinės konversijos efektyvumo jis yra pagrindinis fotovoltinės pramonės komponentas. Monokristalinio silicio gamybai daugiausia naudojamas Czochralski metodas, kuris plačiai naudojamas monokristalinio silicio gamyboje tiek šalies viduje, tiek tarptautiniu mastu dėl didelio gamybos efektyvumo, kontroliuojamo augimo proceso ir tikslios legiravimo kontrolės. Tačiau didėjant kristalų dydžiams, grafito terminių laukų kaina taip pat didėja, ypač silicio garų aplinkoje, kur grafito komponentai yra linkę korozijai, todėl sutrumpėja įrangos tarnavimo laikas. Siekdami išspręsti šias problemas, tyrėjai sukūrė korozijai atsparias dangas anglies medžiagų paviršiams, tokias kaip pirolizės anglies (PyC), silicio karbido (SiC) ir tantalo karbido (TaC) dangas, kad pailgintų anglies medžiagų tarnavimo laiką aukštos temperatūros korozinėje aplinkoje.

Cao ir kt. tyrė grafito (G330 grafito ir AC200C/C kompozicinių medžiagų), naudojamo monokristalinio silicio krosnyse, silicifikacijos koroziją. Jie pasiūlė, kad atviros poros, besitęsiančios nuo grafito vidaus iki paviršiaus, sudaro kelius išlydyto silicio erozijai ir difuzijai, taip paspartindamos anglies medžiagų silicifikacijos procesą.

Zhao ir kt. deponavo pirolizės anglies (PyC) danga ant grafito paviršiaus cheminio garų nusodinimo (CVD) būdu. Gauta PyC danga visiškai padengė grafito pagrindą ir pasižymėjo tankia struktūra be akivaizdžių porų ar įsiskverbiančių mikroįtrūkimų. Apdorojus padengtą grafito medžiagą silicio garų korozijos aplinkoje 1600 °C temperatūroje 2 valandas, dangos skerspjūvio morfologija ir EDX bandymo rezultatai parodyti 4 paveiksle. Kaip parodyta 4a paveiksle, net ir po silicio ėsdinimo danga išliko tvirtai prilipusi prie pagrindo paviršiaus be jokių matomų įtrūkimų. Anglies ir silicio elementų pasiskirstymo analizė parodė, kad po pirolizės anglies danga silicio pasiskirstymo beveik nėra, o tai rodo, kad ji puikiai apsaugo grafito pagrindą [5].

4 pav.: PyC padengto grafito skerspjūvio morfologija po silicido ėsdinimo

Ⅳ. Pirolizės anglimi dengtos branduolinio kuro sėklos

5 paveiksle parodyta Tsinghua universiteto Branduolinės energijos technologijų projektavimo instituto sukurtam 10 MW aukštos temperatūros dujomis aušinamam reaktoriui (HTR-10) reikalingų padengtų kuro granulių dengimo proceso schema. Kaip pagrindinis aukštos temperatūros dujomis aušinamų reaktorių komponentas, padengtų kuro granulių veikimas tiesiogiai veikia saugų reaktoriaus veikimą. Tsinghua universiteto Branduolinės energijos technologijų projektavimo institutas sėkmingai pagamino TRISO tipo padengtas kuro granules, kurios atitinka projektavimo reikalavimus, naudodamas cheminio garų nusodinimo (CVD) technologiją skystojo sluoksnio reaktoriuje [3].

TRISO tipo dengtos kuro granulės susideda iš keturių sluoksnių struktūros, išdėstytos nuo vidinio iki išorinio sluoksnio taip:

Kuro aktyvioji zona: maždaug 500 μm skersmens urano dioksido mikrosferos;

Birios pirolizės anglies (PyC) sluoksnis: tankis ≤ 1.10 g/cm³, storis 90 ± 18 μm;

Vidinis tankus pirolizės anglies sluoksnis: tankis 1.9 ± 0.1 g/cm³, storis 40 ± 10 μm;

Silicio karbido (SiC) sluoksnis: tankis > 3.18 g/cm³, storis 35 ± 5 μm;

Išorinis tankus pirolizės anglies sluoksnis: tankis 1.9 ± 0.1 g/cm³, storis 40 ± 10 μm;

Kiekvienas sluoksnis turi aiškiai apibrėžtą funkciją:

Birus pirolizės anglies sluoksnis: suteikia vietos dalijimosi produktams laikyti ir leidžia plėsti kuro šerdį

Tankus pirolizės anglies sluoksnis: veikia kaip slėgio apvalkalas, blokuojantis dalijimosi produktų išsiskyrimą

Silicio karbido sluoksnis: pasižymi stipriomis ekranavimo savybėmis, ypač nuo metalų dalijimosi produktų, tokių kaip Cs, Sr ir Ba.

5 pav.: Branduolinio kuro dalelėmis įkapsuliuotos dangos schema

Šis tyrimas ne tik išsprendė pagrindinius techninius iššūkius, susijusius su kuro elementais pirmajame Kinijos aukštatemperatūriniame dujomis aušinamame reaktoriuje, bet ir padėjo esminį pagrindą būsimai aukštatemperatūrinio dujomis aušinamo reaktoriaus technologijos plėtrai. Tiksliai kontroliuojant kiekvieno sluoksnio nusodinimo proceso parametrus, buvo sėkmingai pagamintos padengtos kuro granulės su idealia mikrostruktūra ir savybėmis, užtikrinant saugų ir stabilų reaktoriaus veikimą.

Mažytė branduolinio kuro granulė įkūnija nenuilstamas daugybės tyrėjų komandų pastangas, o plona danga tyliai neša saugaus atominės elektrinės veikimo ir šalies energetinio saugumo svorį – panašiai kaip anglies atomai, susikibę rankomis ir sudarantys spindintį deimantą, arba 1.4 milijardo Drakono palikuonių, kartu dirbančių siekiant šviesios Kinijos tautos atgimimo ateities.

„Liufang Technology“ jau seniai specializuojasi apsauginių dangų, skirtų aukštos temperatūros aplinkai, tokių kaip silicio karbidas ir tantalo karbidas, tyrimuose ir kūrime, naudodama cheminio garų nusodinimo (CVD) metodus, taip pat dengimo mechanizmų tyrimuose. Pastaruoju metu bendrovė atlieka pirolizės anglies dangų produktų tyrimus, kad galėtų pasiūlyti universalius sprendimus klientams, kuriems reikia apsauginių dangų įvairiomis eksploatavimo sąlygomis.

Jei puslaidininkinė įranga, už kurią esate atsakingas, turi veikti inertiškoje, aukštos temperatūros aplinkoje, kuriai reikalingas ypatingas cheminis inertiškumas ir dalelių kontrolė, bet jums sunku, nes SiC dangos neatlaiko temperatūros ar korozijos – apsvarstykite pirolizės anglį. Tiesą sakant, pirolizės anglis yra nepakeičiamas „grynos anglies šarvas“ aukštos temperatūros puslaidininkių gamybos procesų srityje.

Norite sužinoti daugiau apie pirolizės anglies technologijos parametrus arba gauti išsamios informacijos apie SiC/pirolizės anglies kompozicinius sprendimus? Norėdami gauti daugiau informacijos, susisiekite su mumis.

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

Nuorodos:

1. Zhang, Weigang. Cheminis garų nusodinimas – nuo ​​angliavandenilių dujų iki kietos anglies. „Science Press“, 1 skyrius.

2. Hu, Chunxia. Metano cheminio garinimo nusodinimo technologija. Daktaro disertacija, Šiaurės vakarų politechnikos universitetas.

3. Zhu, Junguo. Yang, Bing. Zhang, Bingzhong. Huang, Jintao. Xu, Shijiang. Aukštos temperatūros dujomis aušinamuose reaktoriuose padengtų kuro dalelių cheminis nusodinimas iš garų. Tsinghua universiteto žurnalas (gamtos mokslų leidimas). 36 tomas, Nr. 11, 1996. 65–71.

4. Jianxin Tu, Kui Hao, Caixia Huo, Ziyuan Guo, Jianhao Wang, Aijun Li, Ruicheng Bai, Zhihao Ji. Anglies pagrindu pagamintų medžiagų korozijai atsparių dangų puslaidininkių lauke tyrimų pažanga. Medžiagų mokslo pažanga. 1-13.

5. Wei Zhao, Bo Zhu, Weiwei Cao. Pirolizės anglies dangos, naudojamos Czochraski monokristalinio silicio krosnyje, paruošimas ir savybės. Taikomosios mechanikos ir medžiagos, t. 597, 2014, 170–174;

6. Robert More, J. Sines, Ling Ma, Jack Bokros, Pirolizės anglis.