Progrès de la recherche sur les revêtements TaC sur les surfaces de matériaux à base de carbone

Contexte de la recherche

Les matériaux à base de carbone tels que le graphite, les fibres de carbone et les composites carbone/carbone (C/C) sont connus pour leur résistance spécifique élevée, leur module spécifique élevé et leurs excellentes propriétés thermiques, ce qui les rend adaptés à une large gamme d'applications à haute température. . Ces matériaux sont largement utilisés dans l’aérospatiale, le génie chimique et le stockage d’énergie. Cependant, leur sensibilité à l’oxydation et à la corrosion dans des environnements à haute température, ainsi que leur faible résistance aux rayures, limitent leur application ultérieure.

Avec les progrès technologiques, les matériaux à base de carbone existants sont de moins en moins en mesure de répondre aux exigences strictes des environnements extrêmes, notamment en matière de résistance à l'oxydation et à la corrosion. L’amélioration des performances de ces matériaux est donc devenue un axe de recherche clé.

Le carbure de tantale (TaC) est un matériau doté d'un point de fusion extrêmement élevé (3 880 °C), d'une excellente stabilité mécanique à haute température et d'une résistance à la corrosion. Il présente également une bonne compatibilité chimique avec les matériaux à base de carbone.Revêtements TaCpeut améliorer considérablement la résistance à l’oxydation et les propriétés mécaniques des matériaux à base de carbone, élargissant ainsi leur applicabilité dans des environnements extrêmes.

Progrès de la recherche sur les revêtements TaC sur les surfaces de matériaux à base de carbone

1. Substrats graphite

Avantages du graphite :

Le graphite est largement utilisé dans la métallurgie à haute température, les batteries énergétiques et la fabrication de semi-conducteurs en raison de sa tolérance aux températures élevées (point de fusion autour de 3 850 °C), de sa conductivité thermique élevée et de son excellente résistance aux chocs thermiques. Cependant, le graphite est sujet à l’oxydation et à la corrosion par les métaux en fusion à haute température.

Rôle deRevêtements TaC:

Les revêtements TaC peuvent améliorer considérablement la résistance à l'oxydation, la résistance à la corrosion et les propriétés mécaniques du graphite, renforçant ainsi son potentiel pour des applications dans des environnements extrêmes.

Méthodes et effets de revêtement :

(1) Pulvérisation au plasma :

Recherche : Trignan et al. utilisé la pulvérisation plasma pour déposer une couche de 150 µm d'épaisseurrevêtement TaCà la surface du graphite, améliorant considérablement sa tolérance aux températures élevées. Bien que le revêtement contienne du TaC0,85 et du Ta2C après pulvérisation, il est resté intact sans se fissurer après un traitement à haute température à 2 000°C.

(2) Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) :

Recherche : Lv et al. a utilisé le système TaCl5-Ar-C3H6 pour préparer un revêtement multiphasé C-TaC sur des surfaces en graphite à l'aide de la méthode CVD. Leur étude a révélé qu’à mesure que la teneur en carbone du revêtement augmentait, le coefficient de frottement diminuait, ce qui indique une excellente résistance à l’usure.

(3) Méthode de frittage de boue :

Recherche : Shen et al. préparé une suspension à base de TaCl5 et d'acétylacétone, qu'ils ont appliquée sur des surfaces en graphite puis soumise à un frittage à haute température. Le résultatrevêtement TaCles particules mesuraient environ 1 µm et démontraient une bonne stabilité chimique et une bonne stabilité à haute température après traitement à 2 000 °C.

Figure 1

La figure 1a présente le creuset TaC préparé via la méthode CVD, tandis que les figures 1b et 1c illustrent l'état du creuset dans des conditions de croissance épitaxiale MOCVD-GaN et de croissance par sublimation AlN, respectivement. Ces images démontrent que lerevêtement TaCprésente non seulement une excellente résistance à l'ablation à des températures extrêmes, mais maintient également une stabilité structurelle élevée dans des conditions de température élevée.

2. Substrat en fibre de carbone

Caractéristiques de la fibre de carbone :

La fibre de carbone se caractérise par sa résistance spécifique élevée et son module spécifique élevé, ainsi que par une excellente conductivité électrique, conductivité thermique, résistance à la corrosion acide et alcaline et stabilité à haute température. Cependant, la fibre de carbone a tendance à perdre ces propriétés supérieures dans des environnements oxydants à haute température.

Rôle deRevêtement TaC:

Déposer unrevêtement TaCsur la surface de la fibre de carbone améliore considérablement sa résistance à l'oxydation et sa résistance aux radiations, améliorant ainsi son applicabilité dans des environnements à températures extrêmement élevées.

Méthodes et effets de revêtement :

(1) Infiltration de vapeurs chimiques (CVI) :

Recherche : Chen et al. déposé unrevêtement TaCsur fibre de carbone selon la méthode CVI. L'étude a révélé qu'à des températures de dépôt de 950 à 1 000 °C, le revêtement TaC présentait une structure dense et une excellente résistance à l'oxydation à haute température.

(2) Méthode de réaction in situ :

Recherche : Liu et al. tissus TaC/PyC préparés sur fibres de coton en utilisant la méthode de réaction in situ. Ces tissus ont démontré une efficacité de blindage électromagnétique extrêmement élevée (75,0 dB), nettement supérieure aux tissus PyC traditionnels (24,4 dB).

(3) Méthode au sel fondu :

Recherche : Dong et al. préparé unrevêtement TaCsur la surface de la fibre de carbone en utilisant la méthode du sel fondu. Les résultats ont montré que ce revêtement améliorait considérablement la résistance à l’oxydation de la fibre de carbone.

Figure 2

Figure 2 : La figure 2 montre des images SEM de fibres de carbone originales et de fibres de carbone recouvertes de TaC préparées dans différentes conditions, ainsi que des courbes d'analyse thermogravimétrique (TGA) dans diverses conditions de revêtement.

Figure 2a : affiche la morphologie des fibres de carbone d'origine.

Figure 2b : montre la morphologie de surface des fibres de carbone recouvertes de TaC préparées à 1 000 °C, le revêtement étant dense et uniformément réparti.

Figure 2c : Les courbes TGA indiquent que lerevêtement TaCaméliore considérablement la résistance à l'oxydation des fibres de carbone, le revêtement préparé à 1 100 °C présentant une résistance à l'oxydation supérieure.

3. Matrice composite C/C

Caractéristiques des composites C/C :

Les composites C/C sont des composites à matrice de carbone renforcés de fibres de carbone, connus pour leur module spécifique élevé et leur résistance spécifique élevée, leur bonne stabilité aux chocs thermiques et leur excellente résistance à la corrosion à haute température. Ils sont principalement utilisés dans les domaines de la production aérospatiale, automobile et industrielle. Cependant, les composites C/C sont sujets à l'oxydation dans des environnements à haute température et ont une mauvaise plasticité, ce qui limite leur application à des températures plus élevées.

Rôle deRevêtement TaC:

Préparer unrevêtement TaCà la surface des composites C/C peuvent améliorer considérablement leur résistance à l'ablation, leur stabilité aux chocs thermiques et leurs propriétés mécaniques, élargissant ainsi leurs applications potentielles dans des conditions extrêmes.

Méthodes et effets de revêtement :

(1) Méthode de pulvérisation au plasma :

Recherche : Feng et al. préparé des revêtements composites HfC-TaC sur des composites C/C en utilisant la méthode de pulvérisation par plasma atmosphérique supersonique (SAPS). Ces revêtements présentaient une excellente résistance à l'ablation sous une densité de flux thermique de flamme de 2,38 MW/m², avec un taux d'ablation massique de seulement 0,35 mg/s et un taux d'ablation linéaire de 1,05 µm/s, indiquant une stabilité exceptionnelle à haute température.

(2) Méthode Sol-Gel :

Recherche : He et al. préparéRevêtements TaCsur des composites C/C par méthode sol-gel et les frittons à différentes températures. L'étude a révélé qu'après frittage à 1 600 °C, le revêtement présentait la meilleure résistance à l'ablation, avec une structure en couches continue et dense.

(3) Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) :

Recherche : Ren et coll. dépôt de revêtements Hf(Ta)C sur des composites C/C en utilisant le système HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar via la méthode CVD. Les expériences ont montré que le revêtement avait une forte adhésion au substrat et qu'après 120 secondes d'ablation à la flamme, le taux d'ablation massique n'était que de 0,97 mg/s avec un taux d'ablation linéaire de 1,32 µm/s, démontrant une excellente résistance à l'ablation.

Figure 3

La figure 3 montre la morphologie de fracture des composites C/C avec des revêtements multicouches PyC/SiC/TaC/PyC.

Figure 3a : affiche la morphologie globale de fracture du revêtement, où la structure intercouche des revêtements peut être observée.

Figure 3b : est une image agrandie du revêtement, montrant les conditions d'interface entre les couches.

Figure 3c : compare la résistance au cisaillement interfacial et la résistance à la flexion de deux matériaux différents, indiquant que la structure du revêtement multicouche améliore considérablement les propriétés mécaniques des composites C/C.

4. Revêtements TaC sur matériaux à base de carbone préparés par CVD

La méthode CVD peut produire des particules de haute pureté, denses et uniformes.Revêtements TaCà des températures relativement basses, évitant ainsi les défauts et les fissures couramment observés dans d'autres méthodes de préparation à haute température.

Influence des paramètres CVD :

(1) Débit de gaz :

En ajustant le débit de gaz pendant le processus CVD, la morphologie de surface et la composition chimique du revêtement peuvent être contrôlées efficacement. Par exemple, Zhang et al. étudié l'effet du débit de gaz Ar surrevêtement TaCcroissance et ont découvert que l'augmentation du débit d'Ar ralentit la croissance des grains, ce qui donne des grains plus petits et plus uniformes.

(2) Température de dépôt :

La température de dépôt affecte de manière significative la morphologie de la surface et la composition chimique du revêtement. Généralement, des températures de dépôt plus élevées accélèrent la vitesse de dépôt mais peuvent également augmenter les contraintes internes, conduisant à la formation de fissures. Chen et coll. trouvé queRevêtements TaCpréparé à 800°C contenait une petite quantité de carbone libre, alors qu'à 1000°C, les revêtements étaient principalement constitués de cristaux de TaC.

(3) Pression de dépôt :

La pression de dépôt affecte principalement la taille des grains et la vitesse de dépôt du revêtement. Des études montrent qu'à mesure que la pression de dépôt augmente, la vitesse de dépôt s'améliore considérablement et la taille des grains augmente, bien que la structure cristalline du revêtement reste largement inchangée.

Figure 4

Figure 5

Les figures 4 et 5 illustrent les effets du débit d'H2 et de la température de dépôt sur la composition et la granulométrie des revêtements.

Figure 4 : Montre l’effet de différents débits de H2 sur la composition deRevêtements TaCà 850°C et 950°C. Lorsque le débit de H2 est de 100 mL/min, le revêtement est principalement constitué de TaC avec une petite quantité de Ta2C. À des températures plus élevées, l’ajout de H2 donne lieu à des particules plus petites et plus uniformes.

Figure 5 : Démontre les changements dans la morphologie de la surface et la taille des grains deRevêtements TaCà différentes températures de dépôt. À mesure que la température augmente, la taille des grains augmente progressivement, passant de grains sphériques à polyédriques.

Tendances de développement

Défis actuels :

Bien queRevêtements TaCaméliore considérablement les performances des matériaux à base de carbone, la grande différence de coefficients de dilatation thermique entre le TaC et le substrat en carbone peut entraîner des fissures et un effritement à des températures élevées. De plus, un seulrevêtement TaCpeut encore ne pas répondre aux exigences d’application dans certaines conditions extrêmes.

Solutions :

(1) Systèmes de revêtement composite :

Pour sceller les fissures dans un seul revêtement, des systèmes de revêtement composites multicouches peuvent être utilisés. Par exemple, Feng et al. préparé des revêtements alternés HfC-TaC/HfC-SiC sur des composites C/C à l'aide de la méthode SAPS, qui ont montré une résistance supérieure à l'ablation à haute température.

(2) Systèmes de revêtement renforçant les solutions solides :

HfC, ZrC et TaC ont la même structure cristalline cubique à faces centrées et peuvent former des solutions solides les unes avec les autres pour améliorer la résistance à l'ablation. Par exemple, Wang et al. préparé des revêtements Hf(Ta)C en utilisant la méthode CVD, qui présentaient une excellente résistance à l'ablation dans des conditions de haute température.

(3) Systèmes de revêtement dégradé :

Les revêtements à gradient améliorent les performances globales en fournissant une distribution continue du gradient de la composition du revêtement, ce qui réduit les contraintes internes et les différences de coefficients de dilatation thermique. Li et coll. des revêtements à gradient TaC/SiC préparés qui ont démontré une excellente résistance aux chocs thermiques lors des tests d'ablation à la flamme à 2 300°C, sans fissuration ni effritement observés.

Figure 6

La figure 6 illustre la résistance à l'ablation de revêtements composites avec différentes structures. La figure 6b montre que les structures de revêtement alternées réduisent les fissures à haute température, présentant une résistance à l'ablation optimale. En revanche, la figure 6c indique que les revêtements multicouches sont sujets à l'effritement à haute température en raison de la présence de plusieurs interfaces.

Conclusion et perspectives

Cet article résume systématiquement les progrès de la recherche deRevêtements TaCsur le graphite, la fibre de carbone et les composites C/C, discute de l'influence des paramètres CVD surrevêtement TaCperformance et analyse les problématiques actuelles.

Pour répondre aux exigences d'application des matériaux à base de carbone dans des conditions extrêmes, des améliorations supplémentaires de la résistance à l'ablation, de la résistance à l'oxydation et de la stabilité mécanique à haute température des revêtements TaC sont nécessaires. De plus, les recherches futures devraient se pencher sur les questions clés liées à la préparation des revêtements CVD TaC, favorisant ainsi les progrès dans l'application commerciale deRevêtements TaC.**

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