कार्बन-आधारित सामग्री सतहों पर TaC कोटिंग्स की अनुसंधान प्रगति

अनुसंधान बैकग्राउंड

कार्बन-आधारित सामग्री जैसे ग्रेफाइट, कार्बन फाइबर और कार्बन/कार्बन (सी/सी) कंपोजिट अपनी उच्च विशिष्ट शक्ति, उच्च विशिष्ट मापांक और उत्कृष्ट तापीय गुणों के लिए जाने जाते हैं, जो उन्हें उच्च तापमान अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए उपयुक्त बनाते हैं। . इन सामग्रियों का व्यापक रूप से एयरोस्पेस, रसायन इंजीनियरिंग और ऊर्जा भंडारण में उपयोग किया जाता है। हालाँकि, उच्च तापमान वाले वातावरण में ऑक्सीकरण और संक्षारण के प्रति उनकी संवेदनशीलता, खराब खरोंच प्रतिरोध के साथ, उनके आगे के अनुप्रयोग को प्रतिबंधित करती है।

तकनीकी प्रगति के साथ, मौजूदा कार्बन-आधारित सामग्रियां चरम वातावरण की कठोर मांगों को पूरा करने में असमर्थ हो रही हैं, खासकर ऑक्सीकरण और संक्षारण प्रतिरोध के संबंध में। इसलिए, इन सामग्रियों के प्रदर्शन को बढ़ाना एक प्रमुख शोध दिशा बन गई है।

टैंटलम कार्बाइड (TaC) अत्यंत उच्च गलनांक (3880°C), उत्कृष्ट उच्च तापमान यांत्रिक स्थिरता और संक्षारण प्रतिरोध वाली एक सामग्री है। यह कार्बन-आधारित सामग्रियों के साथ अच्छी रासायनिक अनुकूलता भी प्रदर्शित करता है।TaC कोटिंग्सकार्बन-आधारित सामग्रियों के ऑक्सीकरण प्रतिरोध और यांत्रिक गुणों को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा सकता है, जिससे चरम वातावरण में उनकी प्रयोज्यता बढ़ सकती है।

कार्बन-आधारित सामग्री सतहों पर TaC कोटिंग्स की अनुसंधान प्रगति

1. ग्रेफाइट सबस्ट्रेट्स

ग्रेफाइट के लाभ:

उच्च तापमान सहनशीलता (लगभग 3850°C), उच्च तापीय चालकता और उत्कृष्ट तापीय आघात प्रतिरोध के कारण ग्रेफाइट का व्यापक रूप से उच्च तापमान धातु विज्ञान, ऊर्जा बैटरी और अर्धचालक निर्माण में उपयोग किया जाता है। हालाँकि, उच्च तापमान पर पिघली हुई धातुओं द्वारा ग्रेफाइट में ऑक्सीकरण और क्षरण का खतरा होता है।

की भूमिकाटीएसी कोटिंग्स:

TaC कोटिंग्स ग्रेफाइट के ऑक्सीकरण प्रतिरोध, संक्षारण प्रतिरोध और यांत्रिक गुणों में काफी सुधार कर सकती हैं, जिससे चरम वातावरण में अनुप्रयोगों के लिए इसकी क्षमता बढ़ जाती है।

कोटिंग के तरीके और प्रभाव:

(1) प्लाज्मा छिड़काव:

अनुसंधान: ट्रिगनन एट अल। 150 µm मोटाई जमा करने के लिए प्लाज्मा छिड़काव का उपयोग किया गयाTaC कोटिंगग्रेफाइट की सतह पर, इसकी उच्च तापमान सहनशीलता में काफी वृद्धि हुई है। यद्यपि कोटिंग में छिड़काव के बाद TaC0.85 और Ta2C शामिल थे, लेकिन 2000°C पर उच्च तापमान उपचार के बाद यह बिना टूटे बरकरार रहा।

(2) रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी):

अनुसंधान: लव एट अल। CVD विधि का उपयोग करके ग्रेफाइट सतहों पर C-TaC मल्टीफ़ेज़ कोटिंग तैयार करने के लिए TaCl5-Ar-C3H6 प्रणाली को नियोजित किया। उनके अध्ययन से पता चला कि जैसे-जैसे कोटिंग में कार्बन की मात्रा बढ़ी, घर्षण गुणांक कम हो गया, जो उत्कृष्ट पहनने के प्रतिरोध का संकेत देता है।

(3) घोल सिंटरिंग विधि:

अनुसंधान: शेन एट अल। TaCl5 और एसिटाइलसिटोन का उपयोग करके एक घोल तैयार किया, जिसे उन्होंने ग्रेफाइट सतहों पर लगाया और फिर उच्च तापमान वाले सिंटरिंग के अधीन किया। परिणामस्वरूपTaC कोटिंगकणों का आकार लगभग 1 माइक्रोमीटर था और 2000 डिग्री सेल्सियस पर उपचार के बाद उन्होंने अच्छी रासायनिक स्थिरता और उच्च तापमान स्थिरता का प्रदर्शन किया।

चित्र 1

चित्र 1ए सीवीडी विधि के माध्यम से तैयार टीएसी क्रूसिबल को प्रस्तुत करता है, जबकि चित्र 1बी और 1सी क्रमशः एमओसीवीडी-जीएएन एपिटैक्सियल वृद्धि और एएलएन उर्ध्वपातन वृद्धि स्थितियों के तहत क्रूसिबल की स्थिति को दर्शाते हैं। ये तस्वीरें दर्शाती हैं किTaC कोटिंगन केवल अत्यधिक तापमान पर उत्कृष्ट उच्छेदन प्रतिरोध प्रदर्शित करता है बल्कि उच्च तापमान स्थितियों के तहत उच्च संरचनात्मक स्थिरता भी बनाए रखता है।

2. कार्बन फाइबर सब्सट्रेट

कार्बन फाइबर के लक्षण:

कार्बन फाइबर की विशेषता इसकी उच्च विशिष्ट शक्ति और उच्च विशिष्ट मापांक के साथ-साथ उत्कृष्ट विद्युत चालकता, थर्मल चालकता, एसिड और क्षार संक्षारण प्रतिरोध और उच्च तापमान स्थिरता है। हालाँकि, उच्च तापमान वाले ऑक्सीडेटिव वातावरण में कार्बन फाइबर इन बेहतर गुणों को खो देता है।

की भूमिकाटीएसी कोटिंग:

ए जमा करनाTaC कोटिंगकार्बन फाइबर की सतह पर इसका ऑक्सीकरण प्रतिरोध और विकिरण प्रतिरोध काफी बढ़ जाता है, जिससे अत्यधिक उच्च तापमान वाले वातावरण में इसकी प्रयोज्यता में सुधार होता है।

कोटिंग के तरीके और प्रभाव:

(1) रासायनिक वाष्प घुसपैठ (सीवीआई):

अनुसंधान: चेन एट अल। जमा किया गया एTaC कोटिंगसीवीआई विधि का उपयोग करके कार्बन फाइबर पर। अध्ययन में पाया गया कि 950-1000°C के जमाव तापमान पर, TaC कोटिंग ने उच्च तापमान पर घनी संरचना और उत्कृष्ट ऑक्सीकरण प्रतिरोध प्रदर्शित किया।

(2) सीटू प्रतिक्रिया विधि में:

अनुसंधान: लियू एट अल। यथास्थान प्रतिक्रिया विधि का उपयोग करके सूती रेशों पर TaC/PyC कपड़े तैयार किए। इन कपड़ों ने अत्यधिक उच्च विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण प्रभावशीलता (75.0 डीबी) का प्रदर्शन किया, जो पारंपरिक पीवाईसी कपड़ों (24.4 डीबी) से काफी बेहतर है।

(3) पिघला हुआ नमक विधि:

अनुसंधान: डोंग एट अल। एक तैयार कियाTaC कोटिंगपिघले हुए नमक विधि का उपयोग करके कार्बन फाइबर की सतह पर। परिणामों से पता चला कि इस कोटिंग ने कार्बन फाइबर के ऑक्सीकरण प्रतिरोध को काफी बढ़ा दिया है।

चित्र 2

चित्र 2: चित्र 2 में विभिन्न कोटिंग स्थितियों के तहत थर्मोग्रैविमेट्रिक विश्लेषण (टीजीए) वक्रों के साथ-साथ विभिन्न परिस्थितियों में तैयार किए गए मूल कार्बन फाइबर और टीएसी-लेपित कार्बन फाइबर की एसईएम छवियां दिखाई गई हैं।

चित्र 2ए: मूल कार्बन फाइबर की आकृति विज्ञान को प्रदर्शित करता है।

चित्र 2बी: 1000 डिग्री सेल्सियस पर तैयार टीएसी-लेपित कार्बन फाइबर की सतह आकृति विज्ञान को दर्शाता है, जिसमें कोटिंग घनी और समान रूप से वितरित होती है।

चित्र 2सी: टीजीए वक्र दर्शाते हैं किTaC कोटिंगकार्बन फाइबर के ऑक्सीकरण प्रतिरोध को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, 1100°C पर तैयार की गई कोटिंग बेहतर ऑक्सीकरण प्रतिरोध दिखाती है।

3. सी/सी कम्पोजिट मैट्रिक्स

सी/सी कंपोजिट के लक्षण:

सी/सी कंपोजिट कार्बन फाइबर-प्रबलित कार्बन मैट्रिक्स कंपोजिट हैं, जो अपने उच्च विशिष्ट मापांक और उच्च विशिष्ट शक्ति, अच्छे थर्मल शॉक स्थिरता और उत्कृष्ट उच्च तापमान संक्षारण प्रतिरोध के लिए जाने जाते हैं। इनका उपयोग मुख्य रूप से एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव और औद्योगिक उत्पादन क्षेत्रों में किया जाता है। हालाँकि, सी/सी कंपोजिट उच्च तापमान वाले वातावरण में ऑक्सीकरण के प्रति संवेदनशील होते हैं और उनमें खराब प्लास्टिसिटी होती है, जो उच्च तापमान पर उनके अनुप्रयोग को सीमित करती है।

की भूमिकाटीएसी कोटिंग:

तैयारी एTaC कोटिंगसी/सी कंपोजिट की सतह पर उनके एब्लेशन प्रतिरोध, थर्मल शॉक स्थिरता और यांत्रिक गुणों में काफी सुधार हो सकता है, जिससे चरम स्थितियों में उनके संभावित अनुप्रयोगों का विस्तार हो सकता है।

कोटिंग के तरीके और प्रभाव:

(1) प्लाज्मा छिड़काव विधि:

अनुसंधान: फेंग एट अल। सुपरसोनिक वायुमंडलीय प्लाज्मा छिड़काव (एसएपीएस) विधि का उपयोग करके सी/सी कंपोजिट पर एचएफसी-टीएसी मिश्रित कोटिंग तैयार की गई। इन कोटिंग्स ने 2.38 मेगावाट/वर्ग मीटर की लौ ताप प्रवाह घनत्व के तहत उत्कृष्ट एब्लेशन प्रतिरोध प्रदर्शित किया, जिसमें द्रव्यमान एब्लेशन दर केवल 0.35 मिलीग्राम/सेकेंड और रैखिक एब्लेशन दर 1.05 µm/s है, जो उच्च तापमान पर उत्कृष्ट स्थिरता का संकेत देता है।

(2) सोल-जेल विधि:

अनुसंधान: वह एट अल. तैयारTaC कोटिंग्ससोल-जेल विधि का उपयोग करके सी/सी कंपोजिट पर और उन्हें अलग-अलग तापमान पर सिंटर किया गया। अध्ययन से पता चला कि 1600 डिग्री सेल्सियस पर सिंटरिंग के बाद, कोटिंग ने निरंतर और घनी परत वाली संरचना के साथ सबसे अच्छा एब्लेशन प्रतिरोध प्रदर्शित किया।

(3) रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी):

अनुसंधान: रेन एट अल। सीवीडी विधि के माध्यम से HfCl4-TaCl5-CH4-H2-Ar प्रणाली का उपयोग करके C/C कंपोजिट पर Hf(Ta)C कोटिंग जमा की गई। प्रयोगों से पता चला कि कोटिंग में सब्सट्रेट के साथ मजबूत आसंजन था, और लौ एब्लेशन के 120 सेकंड के बाद, द्रव्यमान एब्लेशन दर 1.32 µm/s की रैखिक एब्लेशन दर के साथ केवल 0.97 मिलीग्राम/सेकेंड थी, जो उत्कृष्ट एब्लेशन प्रतिरोध का प्रदर्शन करती थी।

चित्र तीन

चित्र 3 बहुपरत PyC/SiC/TaC/PyC कोटिंग्स के साथ C/C कंपोजिट की फ्रैक्चर आकृति विज्ञान को दर्शाता है।

चित्र 3ए: कोटिंग की समग्र फ्रैक्चर आकृति विज्ञान को प्रदर्शित करता है, जहां कोटिंग्स की इंटरलेयर संरचना देखी जा सकती है।

चित्र 3बी: कोटिंग की एक बढ़ी हुई छवि है, जो परतों के बीच इंटरफ़ेस स्थितियों को दर्शाती है।

चित्र 3सी: दो अलग-अलग सामग्रियों की इंटरफेशियल कतरनी ताकत और फ्लेक्सुरल ताकत की तुलना करता है, यह दर्शाता है कि बहुपरत कोटिंग संरचना सी/सी कंपोजिट के यांत्रिक गुणों को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाती है।

4. सीवीडी द्वारा तैयार कार्बन-आधारित सामग्रियों पर टीएसी कोटिंग्स

सीवीडी विधि उच्च शुद्धता, सघन और एक समान उत्पादन कर सकती हैTaC कोटिंग्सअपेक्षाकृत कम तापमान पर, आमतौर पर अन्य उच्च तापमान तैयारी विधियों में देखी जाने वाली खामियों और दरारों से बचा जा सकता है।

सीवीडी पैरामीटर्स का प्रभाव:

(1) गैस प्रवाह दर:

सीवीडी प्रक्रिया के दौरान गैस प्रवाह दर को समायोजित करके, कोटिंग की सतह आकृति विज्ञान और रासायनिक संरचना को प्रभावी ढंग से नियंत्रित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, झांग एट अल। Ar गैस प्रवाह दर के प्रभाव का अध्ययन कियाTaC कोटिंगविकास और पाया गया कि अर प्रवाह दर बढ़ने से अनाज की वृद्धि धीमी हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप छोटे और अधिक समान अनाज होते हैं।

(2) जमाव तापमान:

जमाव तापमान कोटिंग की सतह आकृति विज्ञान और रासायनिक संरचना को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। आम तौर पर, उच्च जमाव तापमान जमाव दर को तेज करता है लेकिन आंतरिक तनाव भी बढ़ा सकता है, जिससे दरारें बन सकती हैं। चेन एट अल. वह मिल गयाTaC कोटिंग्स800°C पर तैयार कोटिंग में थोड़ी मात्रा में मुक्त कार्बन होता है, जबकि 1000°C पर कोटिंग में मुख्य रूप से TaC क्रिस्टल होते हैं।

(3) निक्षेपण दबाव:

जमाव दबाव मुख्य रूप से कोटिंग के दाने के आकार और जमाव दर को प्रभावित करता है। अध्ययनों से पता चलता है कि जैसे-जैसे जमाव दबाव बढ़ता है, जमाव दर में काफी सुधार होता है, और अनाज का आकार बढ़ता है, हालांकि कोटिंग की क्रिस्टल संरचना काफी हद तक अपरिवर्तित रहती है।

चित्र 4

चित्र 5

चित्र 4 और 5 कोटिंग्स की संरचना और दाने के आकार पर एच2 प्रवाह दर और जमाव तापमान के प्रभावों को दर्शाते हैं।

चित्र 4: की संरचना पर विभिन्न H2 प्रवाह दरों के प्रभाव को दर्शाता हैTaC कोटिंग्स850°C और 950°C पर. जब H2 प्रवाह दर 100 mL/मिनट होती है, तो कोटिंग में मुख्य रूप से TaC और थोड़ी मात्रा में Ta2C होता है। उच्च तापमान पर, H2 के जुड़ने से छोटे और अधिक समान कण बनते हैं।

चित्र 5: सतह आकृति विज्ञान और अनाज के आकार में परिवर्तन दर्शाता हैTaC कोटिंग्सविभिन्न जमाव तापमान पर. जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, अनाज का आकार धीरे-धीरे बढ़ता है, गोलाकार से बहुफलकीय अनाज में परिवर्तित होता है।

विकास के रुझान

वर्तमान चुनौतियाँ:

हालांकिTaC कोटिंग्सकार्बन-आधारित सामग्रियों के प्रदर्शन में उल्लेखनीय रूप से वृद्धि, TaC और कार्बन सब्सट्रेट के बीच थर्मल विस्तार गुणांक में बड़ा अंतर उच्च तापमान के तहत दरारें और टूटने का कारण बन सकता है। इसके अतिरिक्त, एक एकलTaC कोटिंगकुछ चरम स्थितियों में अभी भी आवेदन आवश्यकताओं को पूरा करने में कमी आ सकती है।

समाधान:

(1) समग्र कोटिंग सिस्टम:

एकल कोटिंग में दरारें सील करने के लिए, मल्टीलेयर मिश्रित कोटिंग सिस्टम का उपयोग किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, फेंग एट अल। SAPS विधि का उपयोग करके C/C कंपोजिट पर वैकल्पिक HfC-TaC/HfC-SiC कोटिंग तैयार की, जिसने उच्च तापमान पर बेहतर एब्लेशन प्रतिरोध दिखाया।

(2) ठोस समाधान सुदृढ़ीकरण कोटिंग सिस्टम:

HfC, ZrC, और TaC में समान चेहरा-केंद्रित क्यूबिक क्रिस्टल संरचना होती है और एब्लेशन प्रतिरोध को बढ़ाने के लिए एक दूसरे के साथ ठोस समाधान बना सकते हैं। उदाहरण के लिए, वांग एट अल। सीवीडी विधि का उपयोग करके एचएफ (टीए) सी कोटिंग तैयार की गई, जिसने उच्च तापमान स्थितियों के तहत उत्कृष्ट पृथक्करण प्रतिरोध प्रदर्शित किया।

(3) ग्रेडिएंट कोटिंग सिस्टम:

ग्रेडिएंट कोटिंग्स, कोटिंग संरचना का निरंतर ग्रेडिएंट वितरण प्रदान करके समग्र प्रदर्शन को बढ़ाती हैं, जो थर्मल विस्तार गुणांक में आंतरिक तनाव और बेमेल को कम करती है। ली एट अल. तैयार TaC/SiC ग्रेडिएंट कोटिंग्स ने 2300°C पर फ्लेम एब्लेशन परीक्षणों के दौरान उत्कृष्ट थर्मल शॉक प्रतिरोध का प्रदर्शन किया, जिसमें कोई क्रैकिंग या स्पेलिंग नहीं देखी गई।

चित्र 6

चित्र 6 विभिन्न संरचनाओं के साथ मिश्रित कोटिंग्स के पृथक्करण प्रतिरोध को दर्शाता है। चित्र 6बी से पता चलता है कि वैकल्पिक कोटिंग संरचनाएं उच्च तापमान पर दरारें कम करती हैं, जिससे इष्टतम पृथक्करण प्रतिरोध प्रदर्शित होता है। इसके विपरीत, चित्र 6सी इंगित करता है कि मल्टीलेयर कोटिंग्स में कई इंटरफेस की उपस्थिति के कारण उच्च तापमान पर गिरने का खतरा होता है।

निष्कर्ष और आउटलुक

यह पेपर व्यवस्थित रूप से अनुसंधान प्रगति का सारांश प्रस्तुत करता हैTaC कोटिंग्सग्रेफाइट, कार्बन फाइबर और सी/सी कंपोजिट पर सीवीडी मापदंडों के प्रभाव पर चर्चा करता हैTaC कोटिंगप्रदर्शन, और वर्तमान मुद्दों का विश्लेषण करता है।

अत्यधिक परिस्थितियों में कार्बन-आधारित सामग्रियों की अनुप्रयोग आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, टीएसी कोटिंग्स के एब्लेशन प्रतिरोध, ऑक्सीकरण प्रतिरोध और उच्च तापमान यांत्रिक स्थिरता में और सुधार की आवश्यकता है। इसके अतिरिक्त, भविष्य के अनुसंधान को सीवीडी टीएसी कोटिंग्स की तैयारी, इसके व्यावसायिक अनुप्रयोग में प्रगति को बढ़ावा देने के प्रमुख मुद्दों पर ध्यान देना चाहिए।TaC कोटिंग्स.**

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