Ceramika z węglika tantalu – kluczowy materiał w półprzewodnikach i przemyśle lotniczym.

Węglik tantalu (TaC)jest materiałem ceramicznym odpornym na bardzo wysokie temperatury. Ceramika ultrawysokotemperaturowa (UHTC) ogólnie odnosi się do materiałów ceramicznych o temperaturze topnienia przekraczającej 3000 ℃ i stosowanych w środowiskach o wysokiej temperaturze i korozyjności (takich jak środowiska atomów tlenu) powyżej 2000 ℃, takich jak ZrC, HfC, TaC, HfB2, ZrB2 i HfN.

Węglik tantalu ma temperaturę topnienia sięgającą 3880℃, wysoką twardość (twardość Mohsa 9–10), stosunkowo wysoką przewodność cieplną (22 W·m⁻¹·K⁻¹), wysoką wytrzymałość na zginanie (340–400 MPa) i stosunkowo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej (6,6 × 10⁻⁶ K⁻¹). Wykazuje również doskonałą stabilność termochemiczną i doskonałe właściwości fizyczne, a także ma dobrą kompatybilność chemiczną i mechaniczną z grafitem i kompozytami C/C. Dlatego powłoki TaC są szeroko stosowane w ochronie termicznej w przemyśle lotniczym, w hodowli monokryształów, w elektronice energetycznej i urządzeniach medycznych.

Zastosowania w sprzęcie półprzewodnikowym

Obecnie półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej, reprezentowane przez węglik krzemu (SiC), stanowią strategiczną branżę obsługującą główne pole bitwy gospodarczej i zaspokajającą główne potrzeby krajowe. Jednak półprzewodniki SiC to także branża charakteryzująca się złożonymi procesami i niezwykle wysokimi wymaganiami sprzętowymi. Wśród tych procesów przygotowanie monokryształu SiC jest najbardziej podstawowym i kluczowym ogniwem w całym łańcuchu przemysłowym.

Obecnie najczęściej stosowaną metodą wzrostu kryształów SiC jest metoda fizycznego transportu pary (PVT). W PVT proszek węglika krzemu jest podgrzewany w zamkniętej komorze wzrostowej w temperaturze powyżej 2300°C i pod ciśnieniem bliskim próżni poprzez ogrzewanie indukcyjne. Powoduje to sublimację proszku, w wyniku czego powstaje reaktywny gaz zawierający różne składniki gazowe, takie jak Si, Si₂C i SiC₂. Ta reakcja gaz-ciało stałe generuje źródło reakcji monokryształu SiC. Kryształ zaszczepiający SiC umieszcza się na górze komory wzrostowej. Napędzane przesyceniem składników gazowych, składniki gazowe transportowane do kryształu zaszczepiającego są atomowo osadzane na powierzchni kryształu zaszczepiającego, rosnąc w monokryształ SiC.

Proces ten ma długi cykl wzrostu, jest trudny do kontrolowania i podatny na defekty, takie jak mikroprobówki i wtrącenia. Kontrolowanie defektów ma kluczowe znaczenie; nawet drobne korekty lub dryfty w polu termicznym pieca mogą zmienić wzrost kryształów lub zwiększyć defekty. Późniejsze etapy stanowią wyzwanie polegające na uzyskaniu szybszych, grubszych i większych kryształów, co wymaga nie tylko postępu teoretycznego i inżynieryjnego, ale także bardziej wyrafinowanych materiałów pola termicznego.

Materiały tygla stosowane w polu termicznym obejmują przede wszystkim grafit i grafit porowaty. Jednakże grafit łatwo utlenia się w wysokich temperaturach i ulega korozji pod wpływem stopionych metali. TaC posiada doskonałą stabilność termochemiczną i doskonałe właściwości fizyczne, wykazując dobrą kompatybilność chemiczną i mechaniczną z grafitem. Przygotowanie powłoki TaC na powierzchni grafitu skutecznie zwiększa jego odporność na utlenianie, korozję, odporność na zużycie i właściwości mechaniczne. Szczególnie nadaje się do hodowli monokryształów GaN lub AlN w sprzęcie MOCVD i monokryształów SiC w sprzęcie PVT, znacznie poprawiając jakość hodowanych monokryształów.

Ponadto podczas wytwarzania monokryształów węglika krzemu, po wygenerowaniu źródła reakcji monokryształu węglika krzemu w reakcji ciało stałe-gaz, stosunek stechiometryczny Si/C zmienia się w zależności od rozkładu pola termicznego. Należy zapewnić dystrybucję i transport składników fazy gazowej zgodnie z zaprojektowanym polem termicznym i gradientem temperatury. Porowaty grafit ma niewystarczającą przepuszczalność, dlatego w celu jej zwiększenia wymagane są dodatkowe pory. Jednak porowaty grafit o wysokiej przepuszczalności stoi przed wyzwaniami, takimi jak przetwarzanie, zrzucanie proszku i trawienie. Porowata ceramika z węglika tantalu może lepiej filtrować składniki fazy gazowej, regulować lokalne gradienty temperatury, kierować kierunkiem przepływu materiału i kontrolować wyciek.

PonieważPowłoki TaCwykazują doskonałą odporność na kwasy i zasady na H2, HCl i NH3, w łańcuchu przemysłowym półprzewodników z węglika krzemu, TaC może również całkowicie chronić materiał matrycy grafitowej i oczyszczać środowisko wzrostu podczas procesów epitaksjalnych, takich jak MOCVD.

Zastosowania w lotnictwie

W miarę jak nowoczesne statki powietrzne, takie jak pojazdy kosmiczne, rakiety i pociski rakietowe, rozwijają się w kierunku dużych prędkości, dużego ciągu i dużych wysokości, wymagania dotyczące odporności materiałów powierzchniowych na wysokie temperatury i utlenianie w ekstremalnych warunkach stają się coraz bardziej rygorystyczne. Kiedy samolot wlatuje w atmosferę, napotyka ekstremalne warunki, takie jak wysoka gęstość strumienia ciepła, wysokie ciśnienie stagnacji i duża prędkość przepływu powietrza, a także ablację chemiczną w wyniku reakcji z tlenem, parą wodną i dwutlenkiem węgla. Podczas wlotu i wylotu samolotu z atmosfery powietrze wokół jego stożka przedniego i skrzydeł poddawane jest intensywnej kompresji, powodując znaczne tarcie o powierzchnię samolotu, powodując jej nagrzewanie przez przepływ powietrza. Oprócz nagrzewania się aerodynamicznego podczas lotu, na powierzchnię samolotu wpływa również promieniowanie słoneczne i promieniowanie otoczenia, powodując ciągły wzrost temperatury powierzchni. Zmiana ta może poważnie wpłynąć na żywotność samolotu.

TaC należy do rodziny ceramiki odpornej na bardzo wysokie temperatury. Wysoka temperatura topnienia i doskonała stabilność termodynamiczna sprawiają, że TaC jest szeroko stosowany w gorących częściach samolotów, takich jak ochrona powłoki powierzchniowej dysz silników rakietowych.

Inne aplikacje

TaC ma również szerokie perspektywy zastosowania w narzędziach skrawających, materiałach ściernych, materiałach elektronicznych i katalizatorach. Na przykład dodanie TaC do węglika spiekanego może zahamować wzrost ziaren, zwiększyć twardość i poprawić żywotność. TaC ma dobrą przewodność elektryczną i może tworzyć związki niestechiometryczne, których przewodność zmienia się w zależności od składu. Ta cecha sprawia, że ​​TaC jest obiecującym kandydatem do zastosowań w materiałach elektronicznych. Jeśli chodzi o katalityczne odwodornienie TaC, badania wydajności katalitycznej TiC i TaC wykazały, że TaC praktycznie nie wykazuje aktywności katalitycznej w niższych temperaturach, ale jego aktywność katalityczna znacznie wzrasta powyżej 1000 ℃. Badania właściwości katalitycznych CO wykazały, że w temperaturze 300°C produkty katalityczne TaC obejmują metan, wodę i niewielkie ilości olefin.

Semicorex oferuje wysoką jakośćProdukty z węglika tantalu. Jeśli masz jakiekolwiek pytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Numer telefonu kontaktowego +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com