Химиялық бу тұндыру арқылы газдан өсірілген пиролитикалық көміртек

Пиролиттік көміртек – графит пен аморфты көміртек арасындағы аралық зат, ол жоғары температура жағдайында көміртегі бар газдарды (негізінен көмірсутектерді) қамтитын химиялық бу тұндыру процесі арқылы субстрат бетінде өседі. (Термодинамикалық тұрғыдан алғанда, графит – Гиббстің бос энергиясы ең төмен қатты көміртекті материал.)

ІІІ. Пиролиттік көміртек және химиялық будың тұндырылуы

Прекурсорлық қосылыстардың белгілі бір процесс жағдайларында химиялық реакцияларға түсіп, қатты жабын түзу үшін негіз бетіне түсу процесі химиялық бумен тұндыру деп аталады. Химиялық бумен тұндыру процесінің негізгі қадамдарының схемалық диаграммасы 1-суретте [2] көрсетілген:

(1) Алғышарт реакция аймағына енеді;

(2) Алғышарттар аралық өнімдерді қалыптастыру үшін газ фазасындағы реакцияларға түседі;

a) Реакция аймағындағы температура жоғары болған кезде немесе субстраттан алыс аймақтарда аралық өнімдер газ фазасында әрекеттесуді жалғастырып, қатты ұнтақтар мен ұшқыш қосалқы өнімдер түзеді. Қатты ұнтақтар субстрат бетіне шөгіп, беттік шөгінділер үшін ядролану орындары ретінде қызмет етеді, ал ұшқыш қосалқы өнімдер реакция аймағынан тысқары таралады;

b) Реакция аймағындағы немесе тұндыру субстратына жақын аймақтардағы температура төмен болған кезде, аралық өнімдер субстрат бетіне диффузияланады, мұнда келесі кезеңдер орын алады:

(3) Аралық өнімдер субстрат бетіне адсорбцияланады және гетерогенді реакцияларға ұшырайды, белсенді тұндыру өнімдері мен жанама өнімдерді түзеді;

(4) Белсенді тұндыру өнімдері субстрат бетіне таралады және үздіксіз жабын түзу үшін жиналады;

(5) Газ тәрізді қосалқы өнімдер тұндыру субстратына жақын аймақтан кетеді;

(6) Реакцияға түспеген қоректік газ және реакция өнімдері реакция аймағынан кетеді.

1-сурет: Химиялық бумен тұндыру процесінің негізгі сатыларының схемалық диаграммасы

Пиролиттік көміртектің түзілуі - көміртек атомдары жоғары температурада ретсіз күйден реттелген күйге және газ тәрізді күйден қатты күйге өтетін қайтымсыз энтропияның кему процесі. Ол кинетикалық жолдар арқылы тепе-теңдіксіз микроқұрылымды сақтай отырып, химиялық термодинамиканың соңғы бағытымен басқарылады. Бұл процесті терең түсіну көміртек-көміртек композиттерінің, жоғары температуралы жабындардың және ядролық отын жабынының материалдық негізін қалап қана қоймай, сонымен қатар көміртектің экстремалды жағдайларда өмір сүруі үшін қос эксперименттік және теориялық негізді қамтамасыз етеді.

2. Пиролиттік көміртекті дайындау процесі және қолдану

Пиролиттік көміртек көмірсутектерді оттегісіз ортада 1200–1400°C температурада жоғары температурада пиролиздеу арқылы алынады. Тік сұйық қабатты реакторды пайдалану арқылы процесс келесі қадамдар арқылы жүзеге асырылады: отқа төзімді бөлшектерді сұйықтау үшін реакция түтігінің түбінен инертті газ (азот немесе гелий) енгізіледі; сыртқы индукциялық катушка реакция түтігінің ішіндегісін қыздырады; ал пиролиз реакциясын бастау үшін көмірсутек газы енгізіледі.

2-сурет: Пиролиттік көміртекті дайындауға арналған сұйық қабаттың схемалық диаграммасы[3]

3. Пиролиттік көміртекті жоғары температуралы қорғаныс жабындары

3-сурет: Чохральский кристалды пешіндегі жылу өрісінің құрылымы[4]

Кремний, ең көп таралған ретінде жартылай өткізгіш материал , электроника мен фотоэлектрлік техникада, әсіресе күн батареяларындағы кристалды кремний түрінде кеңінен қолданылады. Оның жоғары фотоэлектрлік түрлендіру тиімділігі оны фотоэлектрлік өнеркәсібіндегі негізгі компонент етеді. Монокристалды кремнийді дайындау негізінен Чохральский әдісін қолданады, ол жоғары өндірістік тиімділігіне, басқарылатын өсу процесіне және дәл легирлеуді бақылауына байланысты монокристалды кремний өндірісінде ел ішінде де, халықаралық деңгейде де кеңінен қолданылады. Дегенмен, кристалдардың өлшемдері артқан сайын, графит термиялық өрістерінің құны да артады, әсіресе графит компоненттері коррозияға бейім кремний бу орталарында, бұл жабдықтың қызмет ету мерзімінің қысқаруына әкеледі. Осы мәселелерді шешу үшін зерттеушілер көміртекті материалдардың жоғары температуралы коррозиялық ортада қызмет ету мерзімін арттыру үшін көміртекті материалдардың беттеріне арналған пиролитикалық көміртек (PyC), кремний карбиді (SiC) және тантал карбиді (TaC) жабындары сияқты коррозияға төзімді жабындарды әзірледі.

Цао және т.б. монокристалды кремний пештерінде қолданылатын графиттің (G330 графиті және AC200C/C композиттік материалдары) кремнийлену коррозиясын зерттеді. Олар графиттің ішкі жағынан бетіне дейін созылатын ашық тесіктер балқытылған кремнийдің эрозиясы мен диффузиясына жол ашады, осылайша көміртекті материалдардың кремнийлену процесін жеделдетеді деп ұсынды.

Чжао және т.б. депозитке салды пиролитикалық көміртекті (PyC) жабын графит бетінде химиялық бу тұндыру (CVD) арқылы. Алынған PyC жабыны графит негізін толығымен жауып, айқын тесіктері немесе енетін микрожарықтары жоқ тығыз құрылымды көрсетті. Жабылған графит материалын 1600°C температурада кремний буының коррозия ортасында 2 сағат бойы өңдегеннен кейін, жабынның көлденең қимасының морфологиясы және EDX сынағының нәтижелері 4-суретте көрсетілген. 4a-суретте көрсетілгендей, кремнийді оюдан кейін де жабын көрінетін жарықтарсыз негіз бетіне тығыз жабысып қалды. Көміртек пен кремнийдің элементтік таралуын талдау пиролитикалық көміртекті жабынның астында кремнийдің таралуы дерлік жоқ екенін көрсетті, бұл оның графит негізін тамаша қорғауды қамтамасыз ететінін көрсетеді [5].

4-сурет: Силикидті өңдеуден кейінгі PyC жабыны бар графиттің көлденең қимасының морфологиясы

Ⅳ. Пиролиттік көміртекпен қапталған ядролық отын тұқымдары

5-суретте Цинхуа университетінің Ядролық энергия технологиясын жобалау институты әзірлеген 10 МВт жоғары температуралы газбен салқындатылатын реактор (HTR-10) үшін қажетті жабынды отын таблеткаларын жабу процесінің схемалық диаграммасы көрсетілген. Жоғары температуралы газбен салқындатылатын реакторлардың негізгі компоненті ретінде жабынды отын таблеткаларының өнімділігі реактордың қауіпсіз жұмысына тікелей әсер етеді. Цинхуа университетінің Ядролық энергия технологиясын жобалау институты сұйық қабатты реакторда химиялық бу тұндыру (CVD) технологиясын қолдана отырып, жобалау талаптарына сай келетін TRISO типті жабынды отын таблеткаларын сәтті шығарды [3].

TRISO типті жабынды отын таблеткалары ішкі қабаттардан сыртқы қабаттарға қарай келесідей орналасқан төрт қабатты құрылымнан тұрады:

Отын өзегі: диаметрі шамамен 500 мкм болатын уран диоксидінің микросфералары;

Борпылдақ пиролитикалық көміртек (PyC) қабаты: тығыздығы ≤ 1.10 г/см³, қалыңдығы 90 ± 18 мкм;

Ішкі тығыз пиролитикалық көміртек қабаты: тығыздығы 1.9 ± 0.1 г/см³, қалыңдығы 40 ± 10 мкм;

Кремний карбиді (SiC) қабаты: тығыздығы > 3.18 г/см³, қалыңдығы 35 ± 5 мкм;

Сыртқы тығыз пиролитикалық көміртек қабаты: тығыздығы 1.9 ± 0.1 г/см³, қалыңдығы 40 ± 10 мкм;

Әрбір қабаттың нақты анықталған функциясы бар:

Бос пиролитикалық көміртек қабаты: бөліну өнімдерін сақтау орнын қамтамасыз етеді және отын өзегінің кеңеюіне мүмкіндік береді

Тығыз пиролитикалық көміртек қабаты: бөліну өнімдерінің бөлінуін блоктау үшін қысым қабығы ретінде әрекет етеді

Кремний карбиді қабаты: әсіресе Cs, Sr және Ba сияқты металл бөліну өнімдерінен қорғайтын күшті қорғаныс қабілетіне ие.

5-сурет: Ядролық отын бөлшектерімен қапталған жабынның схемалық диаграммасы

Бұл зерттеу Қытайдың алғашқы жоғары температуралы газбен салқындатылатын реакторындағы отын элементтеріне қойылатын негізгі техникалық мәселелерді шешіп қана қоймай, сонымен қатар жоғары температуралы газбен салқындатылатын реактор технологиясының болашақ дамуы үшін маңызды негіз қалады. Әрбір қабаттың тұндыру процесінің параметрлерін дәл басқару арқылы реактордың қауіпсіз және тұрақты жұмысын қамтамасыз ететін идеалды микроқұрылымдары мен қасиеттері бар жабынды отын түйіршіктері сәтті өндірілді.

Кішкентай ядролық отын таблеткасы сансыз зерттеу топтарының талмай еңбек етуін бейнелесе, жұқа жабын атом электр станциясының қауіпсіз жұмыс істеуі мен ұлттың энергетикалық қауіпсіздігінің ауыртпалығын үнсіз көтереді – көміртек атомдарының қол ұстасып жарқыраған гауһар тасты жасауы немесе айдаһардың 1.4 миллиард ұрпақтарының Қытай ұлтының ұлы жаңғыруының жарқын болашағын қолдау үшін бірлесіп жұмыс істеуі сияқты.

Liufang Technology компаниясы ұзақ уақыт бойы химиялық бумен тұндыру (CVD) әдістерін қолдана отырып, кремний карбиді және тантал карбиді сияқты жоғары температуралы орталарға арналған қорғаныс жабындарын зерттеу және әзірлеуге, сондай-ақ жабын механизмдерін зерттеуге арналған. Жақында компания әртүрлі жұмыс жағдайларында қорғаныс жабындарына қажеттіліктері бар тұтынушыларға бір терезелік шешімдер ұсыну үшін пиролитикалық көміртекті жабын өнімдері бойынша зерттеулер жүргізіп келеді.

Егер сіз жауапты жартылай өткізгіш жабдық инертті, жоғары температуралы ортада жұмыс істеуі керек болса, бұл химиялық инерттілікті және бөлшектерді бақылауды қажет етеді, бірақ сіз қиындықтарға тап болсаңыз, себебі SiC жабындары температураға немесе коррозияға төтеп бере алмайды — пиролитикалық көміртекті қарастырайық. Шын мәнінде, пиролитикалық көміртек жоғары температуралы жартылай өткізгіштерді өндіру процестері саласында алмастырылмайтын «таза көміртекті сауыт» болып табылады.

Пиролиттік көміртек технологиясының параметрлері туралы көбірек білгіңіз келе ме немесе SiC/пиролиттік көміртек композиттік ерітінділері туралы толық ақпарат алғыңыз келе ме? Қосымша ақпарат алу үшін бізбен хабарласыңыз.

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

Әдебиеттер тізімі:

1. Чжан, Вэйган. Химиялық будың тұнбасы - көмірсутек газдарынан қатты көміртектерге дейін. Science Press, 1-тарау.

2. Ху, Чунься. Метанды химиялық бумен тұндыру технологиясы. Докторлық диссертация, Солтүстік-Батыс политехникалық университеті.

3. Чжу, Джунго. Ян, Бин. Чжан, Бинчжун. Хуан, Цзиньтао. Сюй, Шицзян. Жоғары температуралы газбен салқындатылған реакторларда қапталған отын бөлшектерінің химиялық бумен тұндырылуы. Цинхуа университетінің журналы (Жаратылыстану ғылымдары басылымы). 36-том, № 11, 1996. 65-71.

4. Цзянсин Ту, Куй Хао, Цайся Хуо, Цзыюань Го, Цзянхао Ван, Айцзюнь Ли, Рүйчэн Бай, Чжихао Цзи. Жартылай өткізгіштер өрісі үшін көміртегі негізіндегі материалдардың коррозияға төзімді жабындары бойынша ғылыми-зерттеу барысы. Материалтанудағы прогресс. 1-13.

5. Вэй Чжао, Бо Чжу, Вэйвэй Цао. Чочраски монокристаллды кремний пешінде қолданылатын көміртекті материалдарға пиролитикалық көміртекті жабынды дайындау және қасиеттері. Қолданбалы механика және материалдар, 597-том, 2014, 170-174;

6. Роберт Мор, Дж. Синес, Линг Ма, Джек Бокрос, Пиролиттік көміртек.