Kabòn pirolitik ki grandi soti nan gaz atravè depo vapè chimik

Kabòn pirolitik se yon sibstans metastab—entèmedyè ant grafit ak kabòn amorf—ki grandi sou yon sifas substrat atravè yon pwosesis depo vapè chimik ki enplike gaz ki gen kabòn (sitou idrokarbur) anba kondisyon tanperati ki wo. (Termodinamikman, grafit se materyèl kabòn solid ki gen pi ba enèji lib Gibbs.)

Ⅰ. Kabòn Pirolitik ak Depozisyon Vapè Chimik

Pwosesis kote konpoze prekisè yo sibi reyaksyon chimik anba kondisyon pwosesis espesifik epi depoze sou sifas yon substra pou fòme yon kouch solid rele depo vapè chimik. Yon dyagram eskematik etap prensipal yo nan pwosesis depo vapè chimik la montre nan Figi 1 [2]:

(1) Prekisè a antre nan zòn reyaksyon an;

(2) Prekisè yo sibi reyaksyon faz gaz pou fòme pwodui entèmedyè;

a) Lè tanperati a nan zòn reyaksyon an wo oswa nan rejyon ki lwen substrat la, pwodui entèmedyè yo kontinye reyaji nan faz gaz la, pou fòme poud solid ak pwodui segondè volatil. Poud solid yo depoze sou sifas substrat la, sa ki ka sèvi kòm sit nikleyasyon pou depo sifas, pandan pwodui segondè volatil yo difize soti nan zòn reyaksyon an;

b) Lè tanperati a nan zòn reyaksyon an pi ba oswa nan rejyon ki pre substrati depo a, pwodwi entèmedyè yo difize sou sifas substrati a, kote etap sa yo fèt:

(3) Pwodui entèmedyè yo adsorbe sou sifas substrat la epi sibi reyaksyon etewojèn, sa ki pwodui pwodui depo aktif ak pwodui segondè;

(4) Pwodui depo aktif yo gaye sou sifas substrat la epi yo akimile pou fòme yon kouch kontinyèl;

(5) Soupwodui gazez yo kite rejyon ki toupre substrati depo a;

(6) Gaz alimantasyon ki pa reyaji a ak pwodui segondè reyaksyon yo kite zòn reyaksyon an.

Figi 1: Dyagram eskematik etap prensipal pwosesis depo vapè chimik la

Fòmasyon kabòn pirolitik la se yon pwosesis irevokab ki diminye entropi kote atòm kabòn yo chanje soti nan yon eta dezòdone rive nan yon eta òdone epi soti nan yon eta gazez rive nan yon eta solid nan tanperati ki wo. Li gouvène pa direksyon final tèmodinamik chimik la pandan y ap kenbe yon mikwoestrikti ki pa an ekilib atravè chemen sinetik. Yon konpreyansyon pwofon sou pwosesis sa a pa sèlman poze fondasyon materyèl pou konpoze kabòn-kabòn, kouch tanperati ki wo, ak revètman konbistib nikleyè, men tou li bay yon kad doub eksperimantal ak teyorik pou egzistans kabòn nan kondisyon ekstrèm.

Ⅱ. Pwosesis Preparasyon ak Aplikasyon Kabòn Pirolitik

Yo pwodui kabòn pirolitik atravè piroliz idrokarbur nan tanperati ki wo nan 1200–1400°C nan yon anviwònman san oksijèn. Lè l sèvi avèk yon reaktè kabann fluidize vètikal, pwosesis la fèt atravè etap sa yo: yo entwodui yon gaz inaktif (azòt oswa elyòm) soti nan pati anba tib reyaksyon an pou fluidize patikil refraktè yo; yon bobin endiksyon ekstèn chofe sa ki nan tib reyaksyon an; epi yo entwodui gaz idrokarbur pou kòmanse reyaksyon piroliz la.

Figi 2: Dyagram eskematik yon kabann fluidize pou preparasyon kabòn pirolitik [3]

3. Kouch pwoteksyon pirolitik kabòn pou tanperati ki wo

Figi 3: Estrikti chan tèmik nan founo kristal Czochralski a [4]

Silisyòm, kòm pi komen an materyèl semi-conducteurs , lajman itilize nan elektwonik ak fotovoltaik, patikilyèman sou fòm silikon kristalin nan selil solè. Segondè efikasite konvèsyon fotovoltaik li fè li yon eleman santral nan endistri fotovoltaik la. Preparasyon silikon monokristalin prensipalman itilize metòd Czochralski a, ki lajman itilize nan pwodiksyon silikon monokristalin ni domestik ni entènasyonalman akòz gwo efikasite pwodiksyon li, pwosesis kwasans kontwolab, ak kontwòl dopan presi. Sepandan, pandan gwosè kristal yo ogmante, pri chan tèmik grafit yo ogmante tou, patikilyèman nan anviwònman vapè silikon kote konpozan grafit yo gen tandans pou korozyon, sa ki mennen nan yon dire lavi ekipman ki pi kout. Pou adrese pwoblèm sa yo, chèchè yo te devlope kouch rezistan a korozyon pou sifas materyèl kabòn, tankou kouch kabòn pirolitik (PyC), carbure silikon (SiC), ak carbure tantal (TaC), pou amelyore dire lavi sèvis materyèl kabòn nan anviwònman koroziv ki gen gwo tanperati.

Cao et al. te envestige korozyon silisifikasyon grafit (grafit G330 ak materyèl konpoze AC200C/C) yo itilize nan founo silikon monokristalin. Yo te pwopoze ke pò ouvè ki pwolonje soti nan enteryè grafit la rive nan sifas la bay chemen pou ewozyon ak difizyon silikon fonn lan, kidonk akselere pwosesis silisifikasyon materyèl kabòn yo.

Zhao et al. te depoze yon kouch kabòn pirolitik (PyC) sou sifas grafit la atravè depo vapè chimik (CVD). Kouch PyC ki te sòti a te kouvri nèt substrat grafit la epi li te montre yon estrikti dans san porositë evidan oswa mikwo-fant ki penetran. Apre tretman materyèl grafit ki te kouvri a nan yon anviwònman korozyon vapè Silisyòm a 1600°C pandan 2 èdtan, mòfoloji seksyonèl kouch la ak rezilta tès EDX yo montre nan Figi 4. Jan yo montre nan Figi 4a, menm apre grave Silisyòm nan, kouch la te rete byen kole sou sifas substrat la san okenn fant vizib. Analiz distribisyon eleman kabòn ak Silisyòm nan te revele prèske pa gen okenn distribisyon Silisyòm anba kouch kabòn pirolitik la, sa ki endike ke li bay yon ekselan pwoteksyon pou substrat grafit la [5].

Figi 4: Mòfoloji seksyonèl grafit kouvri ak PyC apre grave ak silisid

Ⅳ. Grenn konbistib nikleyè ki kouvri ak kabòn pirolitik

Figi 5 la montre yon dyagram eskematik pwosesis kouch pou granules konbistib kouvri ki nesesè pou reaktè 10 MW ki refwadi ak gaz tanperati wo (HTR-10) la, ki devlope pa Enstiti Konsepsyon Teknoloji Enèji Nikleyè nan Inivèsite Tsinghua. Kòm yon eleman esansyèl nan reaktè ki refwadi ak gaz tanperati wo, pèfòmans granules konbistib kouvri yo afekte dirèkteman operasyon an sekirite reaktè a. Enstiti Konsepsyon Teknoloji Enèji Nikleyè nan Inivèsite Tsinghua te pwodui avèk siksè granules konbistib kouvri tip TRISO ki satisfè egzijans konsepsyon yo lè l sèvi avèk teknoloji depo vapè chimik (CVD) nan yon reaktè kabann fluidize [3].

Granul konbistib ki kouvri ak yon kouch tip TRISO gen yon estrikti kat kouch, ki ranje soti nan kouch ki pi anndan an pou rive nan kouch ki pi deyò a jan sa a:

Nwayo konbistib: Mikrosfè diyoksid iranyòm ak yon dyamèt apeprè 500 μm;

Kouch kabòn pirolitik (PyC) ki lach: dansite ≤ 1.10 g/cm³, epesè 90 ± 18 μm;

Kouch kabòn pirolitik dans anndan: dansite 1.9 ± 0.1 g/cm³, epesè 40 ± 10 μm;

Kouch Silisyòm carbure (SiC): dansite > 3.18 g/cm³, epesè 35 ± 5 μm;

Kouch kabòn pirolitik dans ekstèn: dansite 1.9 ± 0.1 g/cm³, epesè 40 ± 10 μm;

Chak kouch gen yon fonksyon byen defini:

Kouch kabòn pirolitik ki lach: bay espas depo pou pwodwi fizyon yo epi li akomode ekspansyon nwayo konbistib la.

Kouch kabòn pirolitik dans: li aji kòm yon kokiy presyon pou bloke liberasyon pwodwi fizyon yo.

Kouch carbure Silisyòm: Li gen yon gwo kapasite pwoteksyon, patikilyèman kont pwodwi fizyon metalik tankou Cs, Sr, ak Ba.

Figi 5: Dyagram eskematik kouch ki ankapsule pa patikil konbistib nikleyè yo

Rechèch sa a pa sèlman rezoud defi teknik kle pou eleman konbistib nan premye reaktè Lachin nan ki refwadi ak gaz nan tanperati ki wo, men li te poze tou yon fondasyon enpòtan pou devlopman nan lavni teknoloji reaktè ki refwadi ak gaz nan tanperati ki wo. Lè yo kontwole avèk presizyon paramèt pwosesis depozisyon chak kouch, yo te pwodui avèk siksè granules konbistib kouvri ak mikwostrikti ak pwopriyete ideyal, sa ki asire operasyon reaktè a an sekirite epi ki estab.

Yon ti grenn konbistib nikleyè reprezante efò san pran souf inonbrabl ekip rechèch, alòske yon kouch mens sipòte an silans pwa operasyon an sekirite yon santral nikleyè ak sekirite enèji nasyon an—tankou atòm kabòn ki lye men nan men pou fòme yon dyaman briyan, oubyen 1.4 milya desandan Dragon an k ap travay ansanm pou sipòte avni briyan gwo rajenisman nasyon Chinwa a.

Liufang Technology gen lontan depi l ap dedye tèt li a rechèch ak devlopman pwodui kouch pwoteksyon pou anviwònman ki gen gwo tanperati—tankou carbure Silisyòm ak carbure Tantalòm—lè l sèvi avèk metòd depo vapè chimik (CVD), ansanm ak etid mekanis kouch. Dènyèman, konpayi an ap fè rechèch sou pwodui kouch kabòn pirolitik pou bay solisyon konplè pou kliyan ki gen bezwen kouch pwoteksyon nan yon pakèt kondisyon fonksyònman.

Si ekipman semi-kondiktè w ap responsab la bezwen opere nan yon anviwònman inaktif, ki gen tanperati ki wo, ki mande yon inaktif chimik ekstrèm ak kontwòl patikil, men w ap lite paske Kouch SiC pa ka reziste tanperati a oswa korozyon an—konsidere kabòn pirolitik. Anfèt, kabòn pirolitik se yon "zam kabòn pi" ki pa ka ranplase nan domèn pwosesis fabrikasyon semikondiktè ki gen gwo tanperati.

Ou vle aprann plis bagay sou paramèt teknoloji kabòn pirolitik, oubyen jwenn detay sou solisyon konpoze SiC/kabòn pirolitik? Tanpri kontakte nou pou plis enfòmasyon.

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

Referans:

1. Zhang, Weigang. Depozisyon Vapè Chimik - Soti nan Gaz Idrokarbone rive nan Kabòn Solid. Science Press, Chapit 1.

2. Hu, Chunxia. Teknoloji Depozisyon Chimik Vapè Metàn. Disètasyon Doktora, Inivèsite Politeknik Northwestern.

3. Zhu, Junguo. Yang, Bing. Zhang, Bingzhong. Huang, Jintao. Xu, Shijiang. Depozisyon Vapè Chimik Patikil Konbistib Kouvri nan Reaktè Refwadi ak Gaz Tanperati Segondè. Jounal Inivèsite Tsinghua (Edisyon Syans Natirèl). Vol. 36, No 11, 1996. 65-71.

4. Jianxin Tu, Kui Hao, Caixia Huo, Ziyuan Guo, Jianhao Wang, Aijun Li, Ruicheng Bai, Zhihao Ji. Pwogrè rechèch sou kouch korozyon ki reziste nan materyèl ki baze sou kabòn pou jaden an semi-kondiktè. Pwogrè nan Syans Materyèl. 1-13.

5. Wei Zhao, Bo Zhu, Weiwei Cao. Preparasyon ak Pwopriyete Kouch Kabòn Pirolitik sou Materyèl Kabòn yo Itilize nan Founo Silisyòm Monokristal Czochraski. Mekanik ak Materyèl Aplike, Vol. 597, 2014, 170-174;

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