Carbon pyrolytig wedi'i dyfu o nwy trwy ddyddodiad anwedd cemegol

Mae carbon pyrolytig yn sylwedd metastabil—canolradd rhwng graffit a charbon amorffaidd—sy'n tyfu ar wyneb swbstrad trwy broses dyddodiad anwedd cemegol sy'n cynnwys nwyon sy'n cynnwys carbon (hydrocarbonau yn bennaf) o dan amodau tymheredd uchel. (Yn thermodynamig, graffit yw'r deunydd carbon solet gyda'r egni rhydd Gibbs isaf.)

Ⅰ. Dyddodiad Carbon Pyrolytig ac Anwedd Cemegol

Gelwir y broses lle mae cyfansoddion rhagflaenol yn cael adweithiau cemegol o dan amodau proses penodol ac yn dyddodi ar wyneb swbstrad i ffurfio haen solet yn ddyddodiad anwedd cemegol. Dangosir diagram sgematig o'r prif gamau yn y broses dyddodiad anwedd cemegol yn Ffigur 1 [2]:

(1) Mae'r rhagflaenydd yn mynd i mewn i'r parth adwaith;

(2) Mae'r rhagflaenwyr yn mynd trwy adweithiau cyfnod nwy i ffurfio cynhyrchion canolradd;

a) Pan fydd y tymheredd yn y parth adwaith yn uchel neu mewn rhanbarthau ymhell o'r swbstrad, mae'r cynhyrchion canolradd yn parhau i adweithio yn y cyfnod nwy, gan ffurfio powdrau solet a sgil-gynhyrchion anweddol. Mae'r powdrau solet yn setlo ar wyneb y swbstrad, gan wasanaethu o bosibl fel safleoedd niwcleiadu ar gyfer dyddodiad arwyneb, tra bod yr sgil-gynhyrchion anweddol yn tryledu allan o'r parth adwaith;

b) Pan fydd y tymheredd yn y parth adwaith yn is neu mewn rhanbarthau sy'n agos at y swbstrad dyddodiad, mae'r cynhyrchion canolradd yn tryledu ar wyneb y swbstrad, lle mae'r camau canlynol yn digwydd:

(3) Mae'r cynhyrchion canolradd yn amsugno ar wyneb y swbstrad ac yn mynd trwy adweithiau heterogenaidd, gan gynhyrchu cynhyrchion a sgil-gynhyrchion dyddodiad gweithredol;

(4) Mae'r cynhyrchion dyddodiad gweithredol yn tryledu ar draws wyneb y swbstrad ac yn cronni i ffurfio haen barhaus;

(5) Mae sgil-gynhyrchion nwyol yn gadael y rhanbarth ger y swbstrad dyddodiad;

(6) Mae nwy porthiant heb adwaith a sgil-gynhyrchion adwaith yn gadael y parth adwaith.

Ffigur 1: Diagram sgematig o brif gamau'r broses dyddodiad anwedd cemegol

Mae ffurfio carbon pyrolytig yn broses anghildroadwy sy'n lleihau entropi lle mae atomau carbon yn trawsnewid o gyflwr anhrefnus i gyflwr trefnus ac o gyflwr nwyol i gyflwr solet ar dymheredd uchel. Mae'n cael ei lywodraethu gan gyfeiriad eithaf thermodynameg gemegol wrth gynnal microstrwythur anghytbwys trwy lwybrau cinetig. Mae dealltwriaeth ddofn o'r broses hon nid yn unig yn gosod y sylfaen ddeunydd ar gyfer cyfansoddion carbon-carbon, haenau tymheredd uchel, a chladin tanwydd niwclear ond mae hefyd yn darparu fframwaith arbrofol a damcaniaethol deuol ar gyfer bodolaeth carbon o dan amodau eithafol.

Ⅱ. Proses Paratoi a Chymwysiadau Carbon Pyrolytig

Cynhyrchir carbon pyrolytig trwy byrolysis tymheredd uchel hydrocarbonau ar 1200–1400°C mewn amgylchedd di-ocsigen. Gan ddefnyddio adweithydd gwely hylifedig fertigol, cynhelir y broses trwy'r camau canlynol: cyflwynir nwy anadweithiol (nitrogen neu heliwm) o waelod y tiwb adwaith i hylifo'r gronynnau anhydrin; mae coil sefydlu allanol yn cynhesu cynnwys y tiwb adwaith; a chyflwynir nwy hydrocarbon i gychwyn yr adwaith pyrolisis.

Ffigur 2: Diagram sgematig o wely hylifedig ar gyfer paratoi carbon pyrolytig[3]

Ⅲ. Gorchuddion Amddiffynnol Tymheredd Uchel Carbon Pyrolytig

Ffigur 3: Strwythur maes thermol mewn ffwrnais grisial Czochralski[4]

Silicon, fel y mwyaf cyffredin deunydd lled-ddargludyddion , yn cael ei ddefnyddio'n helaeth mewn electroneg a ffotofoltäig, yn enwedig ar ffurf silicon crisialog mewn celloedd solar. Mae ei effeithlonrwydd trosi ffotofoltäig uchel yn ei wneud yn gydran graidd yn y diwydiant ffotofoltäig. Mae paratoi silicon monogrisialog yn bennaf yn defnyddio'r dull Czochralski, a ddefnyddir yn helaeth mewn cynhyrchu silicon monogrisialog yn ddomestig ac yn rhyngwladol oherwydd ei effeithlonrwydd cynhyrchu uchel, ei broses dwf reolaethadwy, a'i reolaeth dopio fanwl gywir. Fodd bynnag, wrth i feintiau crisialau gynyddu, mae cost meysydd thermol graffit hefyd yn codi, yn enwedig mewn amgylcheddau anwedd silicon lle mae cydrannau graffit yn dueddol o gyrydu, gan arwain at oes offer fyrrach. I fynd i'r afael â'r materion hyn, mae ymchwilwyr wedi datblygu haenau sy'n gwrthsefyll cyrydiad ar gyfer arwynebau deunydd carbon, megis haenau carbon pyrolytig (PyC), silicon carbid (SiC), a thantalwm carbid (TaC), i wella oes gwasanaeth deunyddiau carbon mewn amgylcheddau cyrydol tymheredd uchel.

Ymchwiliodd Cao et al. i gyrydiad siliceiddio graffit (graffit G330 a deunyddiau cyfansawdd AC200C/C) a ddefnyddir mewn ffwrneisi silicon monogrisialog. Cynigion nhw fod mandyllau agored sy'n ymestyn o du mewn y graffit i'r wyneb yn darparu llwybrau ar gyfer erydiad a thrylediad silicon tawdd, a thrwy hynny gyflymu'r broses siliceiddio o'r deunyddiau carbon.

Adneuodd Zhao et al. cotio carbon pyrolytig (PyC) ar wyneb y graffit trwy ddyddodiad anwedd cemegol (CVD). Gorchuddiodd yr haen PyC a ddeilliodd o hyn y swbstrad graffit yn llwyr ac arddangosodd strwythur trwchus heb unrhyw fandyllau amlwg na micrograciau treiddiol. Ar ôl trin y deunydd graffit wedi'i orchuddio mewn amgylchedd cyrydiad anwedd silicon ar 1600°C am 2 awr, dangosir morffoleg trawsdoriadol yr haen a chanlyniadau'r prawf EDX yn Ffigur 4. Fel y dangosir yn Ffigur 4a, hyd yn oed ar ôl ysgythru silicon, arhosodd yr haen wedi'i glynu'n dynn wrth wyneb y swbstrad heb unrhyw graciau gweladwy. Datgelodd dadansoddiad o ddosbarthiad elfennol carbon a silicon bron dim dosbarthiad silicon o dan yr haen carbon pyrolytig, sy'n dangos ei bod yn darparu amddiffyniad rhagorol i'r swbstrad graffit [5].

Ffigur 4: Morffoleg drawsdoriadol graffit wedi'i orchuddio â PyC ar ôl ysgythru silicid

Ⅳ. Hadau Tanwydd Niwclear wedi'u Gorchuddio â Charbon Pyrolytig

Mae Ffigur 5 yn dangos diagram sgematig o'r broses orchuddio ar gyfer pelenni tanwydd wedi'u gorchuddio sydd eu hangen ar gyfer yr adweithydd 10 MW wedi'i oeri â nwy tymheredd uchel (HTR-10), a ddatblygwyd gan Sefydliad Dylunio Technoleg Ynni Niwclear ym Mhrifysgol Tsinghua. Fel elfen graidd o adweithyddion tymheredd uchel wedi'u hoeri â nwy, mae perfformiad pelenni tanwydd wedi'u gorchuddio yn effeithio'n uniongyrchol ar weithrediad diogel yr adweithydd. Mae Sefydliad Dylunio Technoleg Ynni Niwclear ym Mhrifysgol Tsinghua wedi cynhyrchu pelenni tanwydd wedi'u gorchuddio o fath TRISO yn llwyddiannus sy'n bodloni gofynion dylunio gan ddefnyddio technoleg dyddodiad anwedd cemegol (CVD) mewn adweithydd gwely hylifedig [3].

Mae pelenni tanwydd wedi'u gorchuddio â math TRISO yn cynnwys strwythur pedair haen, wedi'i drefnu o'r haenau mwyaf mewnol i'r haenau mwyaf allanol fel a ganlyn:

Craidd tanwydd: Microsfferau wraniwm deuocsid gyda diamedr o tua 500 μm;

Haen carbon pyrolytig rhydd (PyC): dwysedd ≤ 1.10 g/cm³, trwch 90 ± 18 μm;

Haen garbon pyrolytig dwys fewnol: dwysedd 1.9 ± 0.1 g/cm³, trwch 40 ± 10 μm;

Haen silicon carbid (SiC): dwysedd > 3.18 g/cm³, trwch 35 ± 5 μm;

Haen carbon pyrolytig dwys allanol: dwysedd 1.9 ± 0.1 g/cm³, trwch 40 ± 10 μm;

Mae gan bob haen swyddogaeth wedi'i diffinio'n glir:

Haen garbon pyrolytig rhydd: yn darparu lle storio ar gyfer cynhyrchion ymhollti ac yn darparu ar gyfer ehangu craidd tanwydd

Haen garbon pyrolytig dwys: yn gweithredu fel cragen bwysau i rwystro rhyddhau cynhyrchion ymholltiad

Haen silicon carbid: Yn meddu ar allu cysgodi cryf, yn enwedig yn erbyn cynhyrchion ymholltiad metelaidd fel Cs, Sr, a Ba

Ffigur 5: Diagram sgematig o orchudd wedi'i gapsiwleiddio gan ronynnau tanwydd niwclear

Nid yn unig y gwnaeth yr ymchwil hon ddatrys heriau technegol allweddol ar gyfer elfennau tanwydd yn adweithydd tymheredd uchel cyntaf Tsieina a oerir gan nwy, ond gosododd hefyd sylfaen hanfodol ar gyfer datblygiad technoleg adweithydd tymheredd uchel a oerir gan nwy yn y dyfodol. Drwy reoli paramedrau'r broses dyddodi ar gyfer pob haen yn fanwl gywir, cynhyrchwyd pelenni tanwydd wedi'u gorchuddio â microstrwythurau a phriodweddau delfrydol yn llwyddiannus, gan sicrhau gweithrediad diogel a sefydlog yr adweithydd.

Mae pelen tanwydd niwclear bach yn ymgorffori ymdrechion diflino timau ymchwil dirifedi, tra bod haen denau yn dwyn pwysau gweithrediad diogel gorsaf bŵer niwclear a diogelwch ynni'r genedl yn dawel—yn debyg iawn i atomau carbon yn cysylltu law yn llaw i ffurfio diemwnt disglair, neu'r 1.4 biliwn o ddisgynyddion y Ddraig yn gweithio gyda'i gilydd i gefnogi dyfodol disglair adfywiad mawr cenedl Tsieina.

Mae Liufang Technology wedi bod yn ymroddedig ers tro byd i ymchwilio a datblygu cynhyrchion cotio amddiffynnol ar gyfer amgylcheddau tymheredd uchel—megis silicon carbid a thantalwm carbid—gan ddefnyddio dulliau dyddodiad anwedd cemegol (CVD), yn ogystal ag astudio mecanweithiau cotio. Yn ddiweddar, mae'r cwmni wedi bod yn cynnal ymchwil ar gynhyrchion cotio carbon pyrolytig i ddarparu atebion un stop i gwsmeriaid sydd ag anghenion cotio amddiffynnol ar draws ystod eang o amodau gweithredu.

Os oes angen i'r offer lled-ddargludyddion rydych chi'n gyfrifol amdano weithredu mewn amgylchedd anadweithiol, tymheredd uchel, sy'n gofyn am anadweithiolrwydd cemegol eithafol a rheolaeth gronynnau, ond rydych chi'n cael trafferth oherwydd Haenau SiC ni all wrthsefyll y tymheredd na'r cyrydiad—ystyriwch garbon pyrolytig. Mewn gwirionedd, mae carbon pyrolytig yn "arfwisg carbon pur" anhepgor ym maes prosesau gweithgynhyrchu lled-ddargludyddion tymheredd uchel.

Eisiau dysgu mwy am baramedrau technoleg carbon pyrolytig, neu gael manylion am atebion cyfansawdd SiC/carbon pyrolytig? Cysylltwch â ni am ragor o wybodaeth.

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

Cyfeiriadau:

1. Zhang, Weigang. Dyddodiad Anwedd Cemegol - O Nwyon Hydrocarbon i Garbon Solet. Science Press, Pennod 1.

2. Hu, Chunxia. Technoleg Dyddodiad Anwedd Cemegol Methan. Traethawd Doethurol, Prifysgol Polytechnig y Gogledd-orllewin.

3. Zhu, Junguo. Yang, Bing. Zhang, Bingzhong. Huang, Jintao. Xu, Shijiang. Dyddodiad Anwedd Cemegol Gronynnau Tanwydd wedi'u Gorchuddio mewn Adweithyddion Tymheredd Uchel wedi'u Hoeri â Nwy. Cyfnodolyn Prifysgol Tsinghua (Argraffiad Gwyddor Naturiol). Cyfrol 36, Rhif 11, 1996. 65-71.

4. Jianxin Tu, Kui Hao, Caixia Huo, Ziyuan Guo, Jianhao Wang, Aijun Li, Ruicheng Bai, Zhihao Ji. Cynnydd Ymchwil ar Haenau sy'n Gwrthsefyll Cyrydiad o Ddeunyddiau Carbon ar gyfer y Maes Lled-ddargludyddion. Cynnydd mewn Gwyddor Deunyddiau. 1-13.

5. Wei Zhao, Bo Zhu, Weiwei Cao. Paratoi a Phriodweddau Gorchudd Carbon Pyrolytig ar Ddeunyddiau Carbon a Ddefnyddir mewn Ffwrnais Silicon Grisial Sengl Czochraski. Mecaneg a Deunyddiau Cymhwysol, Cyfrol 597, 2014, 170-174;

6. Robert More, J. Sines, Ling Ma, Jack Bokros, Carbon pyrolytig.