Karboni pirolitik i rritur nga gazi nëpërmjet depozitimit kimik të avullit

Karboni pirolitik është një substancë metastabile - ndërmjetëse midis grafitit dhe karbonit amorf - që rritet në sipërfaqen e një substrati përmes një procesi kimik të depozitimit të avullit që përfshin gazra që përmbajnë karbon (kryesisht hidrokarbure) në kushte të temperaturës së lartë. (Termodinamikisht, grafiti është materiali i ngurtë i karbonit me energjinë më të ulët të lirë të Gibbsit.)

Ⅰ. Depozitimi pirolitik i karbonit dhe avujve kimikë

Procesi me anë të të cilit komponimet pararendëse i nënshtrohen reaksioneve kimike në kushte specifike të procesit dhe depozitohen në sipërfaqen e një substrati për të formuar një shtresë të ngurtë quhet depozitim kimik i avullit. Një diagram skematik i hapave kryesorë në procesin e depozitimit kimik të avullit tregohet në Figurën 1 [2]:

(1) Pararendësi hyn në zonën e reagimit;

(2) Pararendësit i nënshtrohen reaksioneve në fazën e gazit për të formuar produkte të ndërmjetme;

a) Kur temperatura në zonën e reagimit është e lartë ose në rajone larg substratit, produktet e ndërmjetme vazhdojnë të reagojnë në fazën e gaztë, duke formuar pluhura të ngurta dhe nënprodukte të paqëndrueshme. Pluhurat e ngurta vendosen në sipërfaqen e substratit, duke shërbyer potencialisht si vende të formimit të bërthamave për depozitimin sipërfaqësor, ndërsa nënproduktet e paqëndrueshme shpërndahen jashtë zonës së reagimit;

b) Kur temperatura në zonën e reagimit është më e ulët ose në rajone afër substratit të depozitimit, produktet e ndërmjetme shpërndahen në sipërfaqen e substratit, ku ndodhin hapat e mëposhtëm:

(3) Produktet e ndërmjetme adsorbohen në sipërfaqen e substratit dhe i nënshtrohen reaksioneve heterogjene, duke prodhuar produkte dhe nënprodukte aktive të depozitimit;

(4) Produktet aktive të depozitimit shpërndahen në të gjithë sipërfaqen e substratit dhe grumbullohen për të formuar një shtresë të vazhdueshme;

(5) Nënproduktet e gazta largohen nga rajoni pranë substratit të depozitimit;

(6) Gazi ushqyes i pareaguar dhe nënproduktet e reaksionit largohen nga zona e reaksionit.

Figura 1: Diagrama skematike e hapave kryesorë të procesit të depozitimit kimik të avujve

Formimi i karbonit pirolitik është një proces i pakthyeshëm që ul entropinë, në të cilin atomet e karbonit kalojnë nga një gjendje e çrregullt në një gjendje të rregullt dhe nga një gjendje e gaztë në një gjendje të ngurtë në temperatura të larta. Ai drejtohet nga drejtimi përfundimtar i termodinamikës kimike, duke ruajtur një mikrostrukturë jo-ekuilibri përmes shtigjeve kinetike. Një kuptim i thellë i këtij procesi jo vetëm që hedh themelin material për kompozitët karbon-karbon, veshjet me temperaturë të lartë dhe veshjen e karburantit bërthamor, por gjithashtu ofron një kornizë të dyfishtë eksperimentale dhe teorike për ekzistencën e karbonit në kushte ekstreme.

Ⅱ. Procesi i përgatitjes dhe aplikimet e karbonit pirolitik

Karboni pirolitik prodhohet nëpërmjet pirolizës në temperaturë të lartë të hidrokarbureve në 1200–1400°C në një mjedis pa oksigjen. Duke përdorur një reaktor vertikal me shtrat të fluidizuar, procesi kryhet nëpërmjet hapave të mëposhtëm: një gaz inert (azot ose helium) futet nga fundi i tubit të reagimit për të fluidizuar grimcat zjarrduruese; një spirale induksioni e jashtme ngroh përmbajtjen e tubit të reagimit; dhe gaz hidrokarbur futet për të filluar reaksionin e pirolizës.

Figura 2: Diagrama skematike e shtratit të fluidizuar për përgatitjen e karbonit pirolitik[3]

Ⅲ. Veshje mbrojtëse pirolitike të karbonit në temperaturë të lartë

Figura 3: Struktura e fushës termike në furrën kristalore Czochralski[4]

Siliconi, si më i zakonshmi material gjysmëpërçues , përdoret gjerësisht në elektronikë dhe fotovoltaikë, veçanërisht në formën e silicit kristalor në qelizat diellore. Efikasiteti i tij i lartë i konvertimit fotovoltaik e bën atë një përbërës kryesor në industrinë fotovoltaike. Përgatitja e silicit monokristalin përdor kryesisht metodën Czochralski, e cila përdoret gjerësisht në prodhimin e silicit monokristalin si në vend ashtu edhe në nivel ndërkombëtar për shkak të efikasitetit të lartë të prodhimit, procesit të kontrollueshëm të rritjes dhe kontrollit të saktë të dopingut. Megjithatë, ndërsa madhësitë e kristaleve rriten, kostoja e fushave termike të grafitit rritet gjithashtu, veçanërisht në mjediset e avujve të silicit ku përbërësit e grafitit janë të prirur ndaj korrozionit, duke çuar në një jetëgjatësi më të shkurtër të pajisjeve. Për të adresuar këto çështje, studiuesit kanë zhvilluar veshje rezistente ndaj korrozionit për sipërfaqet e materialeve të karbonit, të tilla si karboni pirolitik (PyC), karbidi i silicit (SiC) dhe veshjet e karbit të tantalit (TaC), për të rritur jetëgjatësinë e materialeve të karbonit në mjedise korrozive me temperaturë të lartë.

Cao et al. hetuan korrozionin e silicifikimit të grafitit (grafit G330 dhe materiale kompozite AC200C/C) të përdorura në furrat e silikonit monokristalin. Ata propozuan që poret e hapura që shtrihen nga brendësia e grafitit deri në sipërfaqe ofrojnë shtigje për erozionin dhe përhapjen e silikonit të shkrirë, duke përshpejtuar kështu procesin e silicifikimit të materialeve të karbonit.

Zhao et al. depozituan një veshja e karbonit pirolitik (PyC) në sipërfaqen e grafitit nëpërmjet depozitimit kimik të avullit (CVD). Veshja PyC që rezultoi e mbuloi plotësisht substratin e grafitit dhe shfaqi një strukturë të dendur pa pore të dukshme ose mikroçarje depërtuese. Pas trajtimit të materialit të grafitit të veshur në një mjedis korrozioni me avull silikoni në 1600°C për 2 orë, morfologjia e prerjes tërthore të veshjes dhe rezultatet e testit EDX tregohen në Figurën 4. Siç tregohet në Figurën 4a, edhe pas gdhendjes me silikon, veshja mbeti e ngjitur fort në sipërfaqen e substratit pa ndonjë çarje të dukshme. Analiza e shpërndarjes elementare të karbonit dhe silikonit zbuloi pothuajse asnjë shpërndarje të silikonit nën veshjen pirolitike të karbonit, duke treguar se ajo ofron mbrojtje të shkëlqyer për substratin e grafitit [5].

Figura 4: Morfologjia e prerjes tërthore të grafitit të veshur me PyC pas gdhendjes me silicid

Ⅳ. Fara karburanti bërthamor të veshura me karbon pirolitik

Figura 5 tregon një diagram skematik të procesit të veshjes për peletat e karburantit të veshura të nevojshme për reaktorin e ftohur me gaz në temperaturë të lartë (HTR-10) 10 MW, të zhvilluar nga Instituti i Projektimit të Teknologjisë së Energjisë Bërthamore në Universitetin Tsinghua. Si një komponent thelbësor i reaktorëve të ftohur me gaz në temperaturë të lartë, performanca e peletave të karburantit të veshura ndikon drejtpërdrejt në funksionimin e sigurt të reaktorit. Instituti i Projektimit të Teknologjisë së Energjisë Bërthamore në Universitetin Tsinghua ka prodhuar me sukses peleta karburanti të veshura të tipit TRISO që plotësojnë kërkesat e projektimit duke përdorur teknologjinë e depozitimit kimik të avujve (CVD) në një reaktor me shtrat të fluidizuar [3].

Peletet e karburantit të veshura me tip TRISO përbëhen nga një strukturë me katër shtresa, të rregulluara nga shtresat më të brendshme deri te shtresat më të jashtme si më poshtë:

Bërthama e karburantit: Mikrosfera të dioksidit të uraniumit me një diametër prej afërsisht 500 μm;

Shtresa e lirshme e karbonit pirolitik (PyC): dendësia ≤ 1.10 g/cm³, trashësia 90 ± 18 μm;

Shtresa e brendshme e dendur pirolitike e karbonit: dendësia 1.9 ± 0.1 g/cm³, trashësia 40 ± 10 μm;

Shtresa e karbidit të silicit (SiC): dendësia > 3.18 g/cm³, trashësia 35 ± 5 μm;

Shtresa e jashtme e dendur pirolitike e karbonit: dendësia 1.9 ± 0.1 g/cm³, trashësia 40 ± 10 μm;

Çdo shtresë ka një funksion të përcaktuar qartë:

Shtresa e lirshme e karbonit pirolitik: siguron hapësirë ​​​​ruajtjeje për produktet e ndarjes dhe akomodon zgjerimin e bërthamës së karburantit

Shtresa e dendur e karbonit pirolitik: vepron si një guaskë presioni për të bllokuar lëshimin e produkteve të ndarjes

Shtresa e karbidit të silicit: Zotëron aftësi të fortë mbrojtëse, veçanërisht kundër produkteve të ndarjes metalike si Cs, Sr dhe Ba

Figura 5: Diagrama skematike e veshjes së mbështjellë nga grimcat e karburantit bërthamor

Ky hulumtim jo vetëm që zgjidhi sfidat kryesore teknike për elementët e karburantit në reaktorin e parë të Kinës me ftohje me gaz me temperaturë të lartë, por gjithashtu hodhi një themel vendimtar për zhvillimin e ardhshëm të teknologjisë së reaktorit të ftohjes me gaz me temperaturë të lartë. Duke kontrolluar saktësisht parametrat e procesit të depozitimit të secilës shtresë, u prodhuan me sukses fishekë karburanti të veshur me mikrostruktura dhe veti ideale, duke siguruar funksionimin e sigurt dhe të qëndrueshëm të reaktorit.

Një kokrrizë e vogël karburanti bërthamor mishëron përpjekjet e palodhura të ekipeve të panumërta kërkimore, ndërsa një shtresë e hollë mban në heshtje peshën e funksionimit të sigurt të një termocentrali bërthamor dhe sigurisë energjetike të kombit - ashtu si atomet e karbonit që lidhen dorë për dore për të formuar një diamant të shkëlqyer, ose 1.4 miliardë pasardhës të Dragoit që punojnë së bashku për të mbështetur të ardhmen e ndritur të përtëritjes së madhe të kombit kinez.

Liufang Technology i është kushtuar prej kohësh kërkimit dhe zhvillimit të produkteve të veshjes mbrojtëse për mjedise me temperaturë të lartë - siç është karbidi i silikonit dhe karbidi i tantalit - duke përdorur metoda të depozitimit kimik të avullit (CVD), si dhe studimin e mekanizmave të veshjes. Kohët e fundit, kompania ka kryer kërkime mbi produktet e veshjes me karbon pirolitik për të ofruar zgjidhje të plota për klientët me nevoja për veshje mbrojtëse në një gamë të gjerë kushtesh operimi.

Nëse pajisja gjysmëpërçuese për të cilën jeni përgjegjës duhet të funksionojë në një mjedis inert dhe me temperaturë të lartë, që kërkon inerci ekstreme kimike dhe kontroll të grimcave, por ju po përballeni me vështirësi sepse Veshje SiC nuk mund t’i rezistojë temperaturës ose korrozionit—merrni parasysh karbonin pirolitik. Në fakt, karboni pirolitik është një “blindim i pastër karboni” i pazëvendësueshëm në fushën e proceseve të prodhimit të gjysmëpërçuesve në temperaturë të lartë.

Dëshironi të mësoni më shumë rreth parametrave të teknologjisë së karbonit pirolitik ose të merrni detaje rreth zgjidhjeve të përbërjes së karbonit SiC/pirolitik? Ju lutemi të na kontaktoni për më shumë informacion.

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

Referencat:

1. Zhang, Weigang. Depozitimi Kimik i Avujve - Nga Gazrat e Hidrokarbureve në Karbon të Ngurtë. Science Press, Kapitulli 1.

2. Hu, Chunxia. Teknologjia e Depozitimit Kimik të Avujve të Metanit. Disertacion Doktorature, Universiteti Politeknik Veriperëndimor.

3. Zhu, Junguo. Yang, Bing. Zhang, Bingzhong. Huang, Jintao. Xu, Shijiang. Depozitimi Kimik i Avujve të Grimcave të Karburantit të Veshura në Reaktorë të Ftohur me Gaz me Temperaturë të Lartë. Revista e Universitetit Tsinghua (Botimi i Shkencave Natyrore). Vëll. 36, Nr. 11, 1996. 65-71.

4. Jianxin Tu, Kui Hao, Caixia Huo, Ziyuan Guo, Jianhao Wang, Aijun Li, Ruicheng Bai, Zhihao Ji. Progresi i kërkimit mbi veshjet rezistente ndaj korrozionit të materialeve me bazë karboni për fushën gjysmëpërçuese. Progresi në shkencën e materialeve. 1-13.

5. Wei Zhao, Bo Zhu, Weiwei Cao. Përgatitja dhe vetitë e veshjes pirolitike të karbonit në materialet e karbonit të përdorura në furrën e silikonit me kristal të vetëm Czochraski. Mekanika dhe Materialet e Aplikuara, Vëll. 597, 2014, 170-174;

6. Robert More, J. Sines, Ling Ma, Jack Bokros, Karboni pirolitik.