Термостойкие покрытия на основе карбида кремния на графите

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе предложен и исследован метод формирования термостойких покрытий из карбида кремния на графитовых изделиях. Покрытие формируется путем одновременного протекания нескольких химических реакций между расплавом кремния, монооксидом углерода и приповерхностной области графита при температурах, незначительно превышающих температуру плавления кремния. Сформированное покрытие имеет толщину до нескольких миллиметров, обладает высокой механической прочностью и твердостью. Образцы исследованы различными методами, включая рамановскую спектроскопию, СЭМ. Исследована термическая стойкость полученных покрытий путем испытаний в высокоэнтальпийных дозвуковых потоках воздуха. Показано, что покрытия выдерживают такое воздействие при температурах до 1750°С в течение 30 мин. Выявлены механизмы самовосстановления покрытия под воздействием кислорода при высокой температуре.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. В. Антипов

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

С. С. Галкин

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Москва

А. С. Гращенко

Институт Проблем Машиноведения РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Д. М. Климов

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Москва

А. Ф. Колесников

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Москва

С. А. Кукушкин

Институт Проблем Машиноведения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

А. В. Осипов

Институт Проблем Машиноведения РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

А. В. Редьков

Институт Проблем Машиноведения РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Е. С. Тептеева

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Москва

А. В. Чаплыгин

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Li J., Dunzik-Gouga M. L., Wang J. Recent advances in the treatment of irradiated graphite: A review // Ann. Nucl. Energy. 2017. V. 110. P. 140–147. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2017.06.040
  2. Chung D.D.L. Review graphite // J. Mater. Sci. 2002. V. 37. P. 1475–1489. https://doi.org/10.1023/A:1014915307738
  3. Fallahdoost H., Nouri A., Azimi A. Dual functions of TiC nanoparticles on tribological performance of Al/graphite composites // J. Phys. Chem. Solids. 2016. V. 93. P. 137–144. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2016.02.020
  4. Py X., Olives R., Mauran S. Paraffin/porous-graphite-matrix composite as a high and constant power thermal storage material // Int. J. Heat Mass Transfer. 2001. V. 44. № 14. P. 2727–2737. https://doi.org/10.1016/S0017-9310(00)00309-4
  5. Rozenberg A.S., Sinenko Y.A., Chukanov N.V. Regularities of pyrolytic boron nitride coating formation on a graphite matrix // J. Mater. Sci. 1993. V. 28. P. 5528–5533. https://doi.org/10.1007/BF00367825
  6. Chen Z.B., Bian H., Hu S.P., Song X.G., Niu C.N., Duan X.K. et al. Surface modification on wetting and vacuum brazing behavior of graphite using AgCu filler metal // Surf. Coat. Technol. 2018. V. 348. P. 104–110. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.05.039
  7. Cho Y.J., Summerfield A., Davies A., Cheng T.S., Smith E.F., Mellor C.J. et al. Hexagonal boron nitride tunnel barriers grown on graphite by high temperature molecular beam epitaxy // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 34474. https://doi.org/10.1038/srep34474
  8. Fu Q.G., Li H.J., Shi X.H., Li K.Z., Sun G.D. Silicon carbide coating to protect carbon/carbon composites against oxidation // Scr. Mater. 2005. V. 52. № 9. P. 923–927. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2004.12.029
  9. Wang R.Q., Zhu S.Z., Huang H.B., Wang Z.F., Liu Y.B., Ma Z., Qian F. Low-pressure plasma spraying of ZrB2-SiC coatings on C/C substrate by adding TaSi2 // Surf. Coat. Technol. 2021. V. 420. P. 127332. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127332
  10. Liu X.F., Huang Q.Z., Su Z.A., Jiang J.X. Preparation of SiC coating by chemical vapor reaction // J. Chin. Ceram. Soc. 2004. V. 32. № 7. P. 906–910.
  11. Kang P., Zhang B., Chen G., Wu G. Synthesis of nanostructured SiC coatings on carbon fibres by in situ reaction sintering with milled powders // Surf. Coat. Technol. 2010. V. 205. № 2. P. 294–298. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.06.043
  12. Okuni T., Miyamoto Y., Abe H., Naito M. Joining of silicon carbide and graphite by spark plasma sintering // Ceram. Int. 2014. V. 40. № 1. P. 1359–1363. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.07.017
  13. Lee J.E., Kim B.G., Yoon J.Y., Ha M.T., Lee M.H., Kim Y. et al. The role of an SiC interlayer at a graphite–silicon liquid interface in the solution growth of SiC crystals // Ceram. Int. 2016. V. 42. № 10. P. 11611–11618. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.04.060
  14. Zhu Q., Qiu X., Ma C. Oxidation resistant SiC coating for graphite materials // Carbon. 1999. V. 37. № 9. P. 1475–1484. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(99)00010-X
  15. Li Y., Wang Q., Fan H., Sang S., Li Y., Zhao L. Synthesis of silicon carbide whiskers using reactive graphite as template // Ceram. Int. 2014. V. 40. № 1. P. 1481–1488. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.07.032
  16. Hu L., Zou Y., Li C. H., Liu J. A., Shi Y. S. Preparation of SiC nanowires on graphite paper with silicon powder // Mater. Lett. 2020. V. 269. P. 127444. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127444
  17. Al-Ruqeishi M.S., Nor R.M., Amin Y.M., Al-Azri K. Direct synthesis of β-silicon carbide nanowires from graphite only without a catalyst // J. Alloys Compd. 2010. V. 497. № 1–2. P. 272–277. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.03.025
  18. Haibo O., Hejun L., Lehua Q., Zhengjia L., Jian W., Jianfeng W. Synthesis of a silicon carbide coating on carbon fibers by deposition of a layer of pyrolytic carbon and reacting it with silicon monoxide // Carbon. 2008. V. 46. № 10. P. 1339–1344. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2008.05.017
  19. Grashchenko A.S., Kukushkin S.A., Osipov A.V., Redkov A.V. Formation of composite SiC-C coatings on graphite via annealing Si-melt in CO // Surf. Coat. Technol. 2021. V. 423. P. 127610. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127610
  20. Гращенко А.С., Кукушкин С.А., Осипов А.В., Редьков А.В. Механические свойства композитного покрытия SiC на графите, полученного методом замещения атомов // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47. № 20. С. 7–10. https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.20.51605.18918
  21. Kukushkin S.A., Osipov A.V., Feoktistov N.A. Synthesis of epitaxial silicon carbide films through the substitution of atoms in the silicon crystal lattice: A review // Phys. Solid State. 2014. V. 56. P. 1507–1535. https://doi.org/10.1134/S1063783414080137
  22. Kukushkin S.A., Osipov A.V. A new method for the synthesis of epitaxial layers of silicon carbide on silicon owing to formation of dilatation dipoles // J. Appl. Phys. 2013. V. 113. № 2. P. 024909. https://doi.org/10.1063/1.4773343
  23. Kukushkin S.A., Osipov A.V. Theory and practice of SiC growth on Si and its applications to wide-gap semiconductor films // J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. V. 47. № 31. P. 313001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/31/313001
  24. Kukushkin S.A., Osipov A.V. New method for growing silicon carbide on silicon by solid-phase epitaxy: Model and experiment // Phys. Solid State. 2008. V. 50. P. 1238. https://doi.org/10.1134/S1063783408070081
  25. Гордеев А.Н., Колесников А.Ф. Новые режимы течения и теплообмена плазмы в высокочастотном индукционном плазмотроне ВГУ-4 // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2008. № 7. С. 18–18.
  26. Севастьянов В.Г., Симоненко Е.П., Гордеев А.Н., Симоненко Н.П., Колесников А.Ф., Папынов Е.К. и др. Поведение керамического материала HfB2-SiC (45 об. %) в потоке диссоциированного воздуха и анализ спектра излучения пограничного слоя над его поверхностью // Журнал неорганической химии. 2015. Т. 60. № 11. С. 1485–1485. https://doi.org/10.7868/S0044457X15110136
  27. Симоненко Е.П., Симоненко Н.П., Колесников А.Ф., Чаплыгин А.В., Лысенков А.С., Нагорнов И.А. и др. Модификация UHTC состава HfB2–30% SiC графеном (1 об. %) и ее влияние на поведение в сверхзвуковом потоке воздуха // Журнал неорганической химии. 2021. Т. 66. № 9. С. 1314–1325. https://doi.org/10.31857/S0044457X21090142
  28. Симоненко Е.П., Симоненко Н.П., Колесников А.Ф., Чаплыгин А.В., Папынов Е.К., Шичалин О.О. и др. Воздействие сверхзвукового потока азота на керамический материал Ta4HfC5–SiC // Журнал неорганической химии. 2023. Т. 68. № 4. С. 551–559. https://doi.org/10.31857/S0044457X22602358
  29. Tuinstra F., Koenig J.L. Raman spectrum of graphite // J. Chem. Phys. 1970. V. 53. № 3. P. 1126–1130. https://doi.org/10.1063/1.1674108
  30. Nakashima S., Harima H. Raman investigation of SiC polytypes // Phys. Status Solidi A. 1997. V. 162. № 1. P. 39–64. https://doi.org/10.1002/1521-396X(199707)162:1<39::AID-PSSA39>3.0.CO;2-L
  31. Китаев Ю.Э., Кукушкин С.А., Осипов А.В., Редьков А.В. Новая тригональная (ромбоэдрическая) фаза SiC: abinitio расчеты, симметрийный анализ и рамановские спектры // ФТТ. 2018. Вып. 10. С. 2030–2035. https://doi.org/10.21883/FTT.2018.10.46534.107
  32. Perova T.S., Kukushkin S.A., Osipov A.V. Raman microscopy and imaging of semiconductor films grown on SiC hybrid substrate fabricated by the method of coordinated substitution of atoms on silicon // Handbook of silicon carbide materials and devices / Ed. Z.C. Feng. Boca Raton: CRC Press, 2022. P. 327–372. https://doi.org/10.1201/9780429198540
  33. Bates J.B. Raman spectra of α and β cristobalite // J. Chem. Phys. 1972. V. 57. № 9. P. 4042–4047. https://doi.org/10.1063/1.1678878
  34. Redkov A.V., Grashchenko A.S., Kukushkin S.A., Osipov A.V., Kotlyar K.P., Likhachev A.I. et al. Studying evolution of the ensemble of micropores in a SiC/Si structure during its growth by the method of atom substitution // Phys. Solid State. 2019. V. 61. P. 299–306. https://doi.org/10.1134/S1063783419030272
  35. Anisimov K.S., Malkov A.A., Malygin A.A. Mechanism of thermal oxidation of silicon carbide modified by chromium oxide structures // Russ. J. Gen. Chem. 2014. V. 84. P. 2375–2381. https://doi.org/10.1134/S1070363214120032
  36. Горский В.В., Гордеев А.Н., Дудкина Т.И. Аэротермохимическая деструкция карбида кремния, омываемого высокотемпературным потоком воздуха // ТВТ. 2012. Т. 50. Вып. 5. С. 692–699.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фотографии образца №2, (a) и (б) – до испытания, (в) и (г) после испытания. (а) и (в) – лицевая сторона; (б) и (г) – тыльная сторона.

Скачать (656KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимости от времени основных параметров работы плазмотрона и температур поверхности, измеренных пирометром спектрального отношения, пирометром полного излучения и термовизором в эксперименте с образцом № 2.

Скачать (319KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Термоизображения образца №2 на 261-й (а), 978-й (б) и 1439-й (в) секундах испытания и (г, д, е) – соответствующие профили температуры вдоль линий, отмеченных на рисунках (a, б, в).

Скачать (530KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости от времени интегральной и спектральной (на длине волны 0.9 мкм) излучательной способности поверхности материала образца № 2 в процессе испытания, а также температуры, из которых они получены.

Скачать (296KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Фотографии поверхности образца № 2 до воздействия потока высокоэнтальпийного воздуха. а) – край образца при увеличении 1x, б) – середина поверхности образца при увеличении 5х.

Скачать (406KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Фотографии поверхности образца № 2 после воздействия потока высокоэнтальпийного воздуха. a) – край образца при увеличении 5x, б) – середина поверхности образца при увеличении 5х.

Скачать (409KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Рамановские спектры поверхности образца до и после испытания (a), СЭМ-изображение скола образца после испытания (б) и данные по элементному составу, определенные методом энергодисперсионной спектроскопии (EDS) (в).

Скачать (389KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025