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.

Об авторах

В. В Антипов

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com

С. С Галкин

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com

А. С Гращенко

Институт Проблем Машиноведения РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com

Д. М Климов

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com

А. Ф Колесников

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com

С. А Кукушкин

Институт Проблем Машиноведения РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com

А. В Осипов

Институт Проблем Машиноведения РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com

А. В Редьков

Институт Проблем Машиноведения РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com

Е. С Тептеева

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com

А. В Чаплыгин

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com

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

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».