In che modo il rivestimento SIC migliora la resistenza all'ossidazione del feltro di carbonio？

Feltro di carbonioHa proprietà eccellenti come bassa conducibilità termica, calore piccolo specifico e buona stabilità termica ad alta temperatura. È spesso usato come materiale di isolamento termico in un vuoto o in atmosfera protettiva ed è stato ampiamente utilizzato nel campo a semiconduttore. Tuttavia, in un ambiente con una temperatura superiore a 450 ℃, il feltro di carbonio sarà rapidamente ossidato, con conseguente rapida distruzione del materiale. L'ambiente di elaborazione dei semiconduttori è spesso superiore a 450 ° C, quindi è particolarmente importante migliorare la resistenza all'ossidazione del feltro di carbonio.

Perché scegliereRivestimento sic?

Il rivestimento di superficie è un metodo antiossidazione ideale per i prodotti in fibra di carbonio. I rivestimenti anti-ossidazione includono rivestimenti in metallo, rivestimenti in ceramica, rivestimenti in vetro, ecc. Tra i rivestimenti in ceramica, SIC ha un'eccellente resistenza all'ossidazione ad alta temperatura e una buona compatibilità fisica e chimica con prodotti in fibra di carbonio. Quando SIC è ossidato ad alta temperatura, il SIO2 generato sulla sua superficie può riempire le crepe e altri difetti nel rivestimento e bloccare la penetrazione di O2, rendendolo il materiale di rivestimento più comunemente usato nei rivestimenti di prodotti in fibra di carbonio.

Come eseguire il rivestimento SIC sul feltro di carbonio?

Il rivestimento SIC è stato preparato sulla superficie della fibra di carbonio in feltro di carbonio mediante deposizione di vapore chimico. Dopo la pulizia ad ultrasuoni, il feltro di carbonio preparato è stato essiccato a 100 ℃ per un periodo di tempo. Il feltro di carbonio è stato riscaldato a 1100 ℃ in un forno a tubo a vuoto, con AR come gas diluizione e H2 come gas portatore e il triclorometil silossano riscaldato è stato condotto nella camera di reazione con il metodo di gorgogliatore. Il principio di deposizione è il seguente:

Cap₃Shick (G) → Sic (S) +3HCl (G)

Che aspetto ha la superficie del carbonio di rivestimento SIC?

Abbiamo usato il diffrattometro a raggi X Advance D8 (XRD) per analizzare la composizione di fase del feltro di carbonio di rivestimento SIC. Dallo spettro XRD del feltro di carbonio di rivestimento SIC, come mostrato nella Figura 1, ci sono tre ovvie picchi di diffrazione a 2θ = 35,8 °, 60,2 ° e 72 °, che corrispondono alle (111), (220) e (311) aree di cristallo di β-SIC, rispettivamente. Si può vedere che il rivestimento formato sulla superficie del feltro di carbonio è β-SIC.

Figura 1 spettro XRD di feltro di carbonio rivestito SIC

Abbiamo usato un microscopio elettronico a scansione Magellan 400 (SEM) per osservare la microscopica morfologia del feltro di carbonio prima e dopo il rivestimento. Come si può vedere dalla Figura 2, le fibre di carbonio all'interno del feltro di carbonio originale hanno uno spessore irregolare, distribuito caoticamente, con un gran numero di vuoti e una bassa densità complessiva (circa 0,14 g/cm3). La presenza di un gran numero di vuoti e bassa densità sono i motivi principali per cui il feltro di carbonio può essere usato come materiale di isolamento termico. Ci sono un gran numero di scanalature sulla superficie delle fibre di carbonio all'interno del feltro di carbonio originale lungo l'asse della fibra, che aiuta a migliorare la forza di legame tra il rivestimento e la matrice. 

Dal confronto delle figure 2 e 3, si può vedere che le fibre di carbonio all'interno del feltro di carbonio di rivestimento sono coperte di rivestimenti SIC. I rivestimenti SIC sono formati da piccole particelle strettamente impilate e i rivestimenti sono uniformi e densi. Sono strettamente legati alla matrice in fibra di carbonio, senza ovvie peeling, crepe e fori, e non vi è alcuna rottura evidente al legame con la matrice.

Figura 2 La morfologia del feltro di carbonio e la fine della fibra di carbonio prima del rivestimento

Figura 3 La morfologia del feltro di carbonio e la fine della fibra di carbonio dopo il rivestimento

In che modo si manifesta la resistenza all'ossidazione del rivestimento in carbonio di rivestimento SIC?

Abbiamo condotto l'analisi termogravimetrica (TG) rispettivamente sul feltro di carbonio ordinario e sul rivestimento di rivestimento SIC. La velocità di riscaldamento era di 10 ℃/min e la portata dell'aria era di 20 ml/min. La Figura 4 è la curva TG del feltro di carbonio, in cui la Figura 4A è la curva TG del feltro di carbonio non rivestito e la Figura 4b è la curva TG del feltro di carbonio di rivestimento SIC. Si può vedere dalla Figura 4A che il campione di feltro di carbonio non rivestito si ossida lentamente al di sotto di circa 600 ℃ e il tasso di ossidazione è significativamente accelerato dopo aver superato i 600 ℃. A circa 790 ℃, la frazione di massa residua del campione è 0, il che significa che è stata completamente ossidata. 

Come mostrato nella Figura 4B, il campione di feltro di carbonio per rivestimento non ha perdita di massa quando la temperatura aumenta dalla temperatura ambiente a 280 ℃. A 280-345 ℃, il campione inizia ad ossidarsi gradualmente e il tasso di ossidazione è relativamente veloce. A 345-520 ℃, il progresso dell'ossidazione rallenta. A circa 760 ℃, la perdita di massa del campione raggiunge il massimo, che è di circa il 4%. A 760-1200 ℃, man mano che la temperatura aumenta, la massa del campione inizia ad aumentare. Cioè, si verifica un aumento di peso. Questo perché il SIC sulla superficie della fibra di carbonio viene ossidato per formare SiO2 ad alta temperatura. Questa reazione è una reazione di aumento di peso, che aumenta la massa del campione.

Confrontando la Figura 4A e la Figura 4B, si può scoprire che a 790 ℃ il feltro di carbonio ordinario è stato completamente ossidato, mentre il tasso di perdita di peso di ossidazione del campione di feltro di carbonio di rivestimento SIC è di circa il 4%. Quando la temperatura sale a 1200 ℃, la massa del rivestimento di carbonio di rivestimento SIC aumenta anche leggermente a causa della generazione di SIO2, indicando che il rivestimento SIC può migliorare significativamente la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura del feltro di carbonio.

Fig. 4 Curva TG di feltro di carbonio

ILRivestimento sicPreparato con successo sul feltro di carbonio dalla deposizione di vapore chimico è uniformemente distribuito, continuo, densamente impilato e non ha buchi o crepe evidenti. Il rivestimento SIC è strettamente legato al substrato senza vuoti evidenti. Ha una capacità antiossidazione molto forte.