石墨表面TaC涂层的熔盐歧化制备及性能研究

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石墨作为用于制备第三代半导体常用的坩埚及其它支撑材料,对所制备的半导体的性能具有重要影响。石墨是目前半导体制备使用最多的材料,但其在使用过程中仍然存在释放杂质、与反应物气源反应等缺点,从而影响了制备的半导体的性能和效益。TaC作为一种超高温陶瓷材料,在高温、强烈腐蚀性的环境中具有很好的化学稳定性,在第三代半导体的制备中表现出优异的防护性能。本研究结合熔盐法在制备复杂形状构件上的优势,通过熔盐歧化反应得到TaC预涂层,经过进一步真空高温热处理后得到了石墨表面TaC涂层材料,研究了熔盐制备工艺参数和石墨基材自身特性对TaC预涂层的影响,探讨了熔盐歧化反应制备石墨表面TaC预涂层的形成机理,分析了预涂层真空高温热处理前后的变化,表征了 TaC涂层的本征性能,同时对TaC涂层在SiC环境中的耐腐蚀性进行了测试评估,为石墨表面TaC涂层的制备提供参考。(1)设计了 TaC预涂层的熔盐反应体系,以NaCl和KCl为熔盐介质,以K2TaF7和Ta为反应物,在石墨表面制备TaC预涂层。研究了反应温度、反应时间、反应物K2TaF7和Ta的配比和熔盐含量对制备TaC预涂层的影响,发现随着反应温度、反应时间和反应物中Ta含量的增加,TaC预涂层厚度增加,熔盐含量的变化对TaC预涂层的影响不明显。在反应温度为1200℃、反应物配比为K1Ta3、混合盐和Ta源(K2TaF7和Ta)的质量比为5:1,保温3 h的条件下可在石墨基体表面得到连续、均匀、与基体结合紧密的TaC预涂层。探究了石墨表面不同预处理方式对TaC预涂层的影响,发现石墨经过表面预处理后可有效实现TaC预涂层厚度的增加。(2)利用XRD研究了 TaC预涂层的相结构,分析了 TaC预涂层的反应机理。TaC预涂层由TaC相和Ta2C相两相组成,在熔盐介质中K2TaF7分解产生的TaF72-离子和熔盐中的Ta发生反应,生成TaF52-离子扩散至石墨基体表面,在其表面发生歧化反应和基体C生成TaC。熔盐中的Ta会和已经生成的TaC反应生成Ta2C,因此TaC预涂层中既有TaC相,也有Ta2C相。随着反应的进行,预涂层逐渐增厚,预涂层表层区的C含量少,此时Ta更容易和TaC反应生成Ta2C。(3)将熔盐歧化反应制备的TaC预涂层在2300℃、真空环境下热处理3 h后,可获得最终的TaC涂层,涂层仅为TaC相,且TaC涂层晶粒呈现出自由取向生长的特征。涂层表面质量良好,无贯穿性裂纹和穿孔。热处理过程还有助于去除石墨基体中的残留盐等杂质。(4)表征了 TaC涂层的力学性能。采用拉开法对TaC涂层和石墨基体的结合强度进行了测量,测得的结合强度约为9.49 MPa。纳米压痕表征的TaC涂层的硬度和弹性模量分别为14.42 GPa和123.32 GPa,对TaC涂层的硬度和弹性模量进行了威布尔分布分析。(5)对TaC涂层进行了实验室模拟抗腐蚀性能测试与SiC长晶测试。经SiC长晶环境(2000℃以上保温150 h以上,其中有130 h处于2300℃以上)后,涂层表现出良好的服役性能,涂层在石墨构件表面总体结构完整,仅在边缘棱角区域出现了脱落,涂层质量损失率约为0.41 g/m2·h。
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