Tantaalcarbide-keramiek – een sleutelmateriaal in halfgeleiders en ruimtevaart.

Tantaalcarbide (TaC)is een keramisch materiaal met ultrahoge temperaturen. Keramiek met ultrahoge temperatuur (UHTC's) verwijst over het algemeen naar keramische materialen met smeltpunten hoger dan 3000 ℃ en gebruikt in omgevingen met hoge temperaturen en corrosieve (zoals omgevingen met zuurstofatomen) boven 2000 ℃, zoals ZrC, HfC, TaC, HfB2, ZrB2 en HfN.

Tantaalcarbide heeft een smeltpunt van wel 3880℃, een hoge hardheid (Mohs-hardheid 9–10), een relatief hoge thermische geleidbaarheid (22 W·m⁻¹·K⁻¹), hoge buigsterkte (340–400 MPa) en een relatief lage thermische uitzettingscoëfficiënt (6,6 × 10⁻⁶ K⁻¹). Het vertoont ook een uitstekende thermochemische stabiliteit en superieure fysische eigenschappen, en heeft een goede chemische en mechanische compatibiliteit met grafiet- en C/C-composieten. Daarom worden TaC-coatings veel gebruikt in thermische bescherming in de lucht- en ruimtevaart, monokristallijne groei, energie-elektronica en medische apparatuur.

Toepassingen in halfgeleiderapparatuur

Momenteel zijn halfgeleiders met een brede bandafstand, vertegenwoordigd door siliciumcarbide (SiC), een strategische industrie die het belangrijkste economische slagveld bedient en in grote nationale behoeften voorziet. SiC-halfgeleiders zijn echter ook een industrie met complexe processen en extreem hoge apparatuurvereisten. Van deze processen is de bereiding van één kristal van SiC de meest fundamentele en cruciale schakel in de hele industriële keten.

Momenteel is de meest gebruikte methode voor SiC-kristalgroei de Physical Vapor Transport (PVT) -methode. Bij PVT wordt siliciumcarbidepoeder in een afgesloten groeikamer verwarmd tot temperaturen boven 2300°C en bijna vacuümdruk door middel van inductieverhitting. Hierdoor sublimeert het poeder, waardoor een reactief gas ontstaat dat verschillende gasvormige componenten bevat, zoals Si, Si₂C en SiC₂. Deze gas-vaste stof-reactie genereert een SiC-reactiebron met één kristal. Bovenin de groeikamer wordt een SiC-zaadkristal geplaatst. Gedreven door de oververzadiging van de gasvormige componenten, worden de gasvormige componenten die naar het kiemkristal worden getransporteerd atomair afgezet op het kiemkristaloppervlak en groeien ze uit tot een enkelvoudig SiC-kristal.

Dit proces heeft een lange groeicyclus, is moeilijk te controleren en is gevoelig voor defecten zoals microbuisjes en insluitsels. Het beheersen van defecten is cruciaal; zelfs kleine aanpassingen of afwijkingen in het thermische veld van de oven kunnen de kristalgroei veranderen of de defecten vergroten. Latere stadia vormen de uitdaging om snellere, dikkere en grotere kristallen te bereiken, waarvoor niet alleen theoretische en technische vooruitgang nodig is, maar ook meer geavanceerde thermische veldmaterialen.

De smeltkroesmaterialen op thermisch gebied omvatten voornamelijk grafiet en poreus grafiet. Grafiet wordt echter gemakkelijk geoxideerd bij hoge temperaturen en gecorrodeerd door gesmolten metalen. TaC bezit een uitstekende thermochemische stabiliteit en superieure fysische eigenschappen, en vertoont een goede chemische en mechanische compatibiliteit met grafiet. Het voorbereiden van een TaC-coating op het grafietoppervlak verbetert effectief de oxidatieweerstand, corrosieweerstand, slijtvastheid en mechanische eigenschappen. Het is met name geschikt voor het kweken van GaN- of AlN-eenkristallen in MOCVD-apparatuur en SiC-eenkristallen in PVT-apparatuur, waardoor de kwaliteit van de gegroeide eenkristallen aanzienlijk wordt verbeterd.

Bovendien varieert tijdens de bereiding van monokristallijne siliciumcarbide-kristallen, nadat de monokristallijne reactiebron van siliciumcarbide is gegenereerd door een vast-gasreactie, de Si/C-stoichiometrische verhouding met de thermische veldverdeling. Het is noodzakelijk ervoor te zorgen dat de gasfasecomponenten worden gedistribueerd en getransporteerd volgens het ontworpen thermische veld en de temperatuurgradiënt. Poreus grafiet heeft onvoldoende permeabiliteit, waardoor extra poriën nodig zijn om deze te vergroten. Poreus grafiet met een hoge permeabiliteit wordt echter geconfronteerd met uitdagingen zoals verwerking, poederafscheiding en etsen. Poreuze tantaalcarbide-keramiek kan de filtratie van gasfasecomponenten beter bereiken, lokale temperatuurgradiënten aanpassen, de materiaalstroomrichting geleiden en lekkage onder controle houden.

OmdatTaC-coatingsvertonen uitstekende zuur- en alkalibestendigheid tegen H2, HCl en NH3, in de halfgeleiderindustrieketen van siliciumcarbide kan TaC ook het grafietmatrixmateriaal volledig beschermen en de groeiomgeving zuiveren tijdens epitaxiale processen zoals MOCVD.

Toepassingen in de lucht- en ruimtevaart

Naarmate moderne vliegtuigen, zoals lucht- en ruimtevaartvoertuigen, raketten en raketten, zich ontwikkelen naar hoge snelheid, hoge stuwkracht en grote hoogte, worden de vereisten voor de weerstand tegen hoge temperaturen en oxidatieweerstand van hun oppervlaktematerialen onder extreme omstandigheden steeds strenger. Wanneer een vliegtuig de atmosfeer binnenkomt, wordt het geconfronteerd met extreme omgevingen zoals een hoge warmtefluxdichtheid, hoge stagnatiedruk en hoge luchtstroomsnelheid, terwijl het ook wordt geconfronteerd met chemische ablatie als gevolg van reacties met zuurstof, waterdamp en kooldioxide. Tijdens het binnenkomen en verlaten van een vliegtuig uit de atmosfeer wordt de lucht rond de neuskegel en vleugels onderworpen aan intense compressie, waardoor aanzienlijke wrijving met het vliegtuigoppervlak ontstaat, waardoor het door de luchtstroom wordt verwarmd. Naast de aerodynamische verwarming tijdens de vlucht wordt het vliegtuigoppervlak ook beïnvloed door zonnestraling en omgevingsstraling, waardoor de oppervlaktetemperatuur voortdurend stijgt. Deze wijziging kan de levensduur van het vliegtuig ernstig beïnvloeden.

TaC is lid van de ultrahoge temperatuurbestendige keramische familie. Het hoge smeltpunt en de uitstekende thermodynamische stabiliteit zorgen ervoor dat TaC op grote schaal wordt gebruikt in de hete onderdelen van vliegtuigen, zoals het beschermen van de oppervlaktecoating van straalmotorsproeiers.

Andere toepassingen

TaC heeft ook brede toepassingsmogelijkheden in snijgereedschappen, schuurmaterialen, elektronische materialen en katalysatoren. Het toevoegen van TaC aan gecementeerd carbide kan bijvoorbeeld de korrelgroei remmen, de hardheid verhogen en de levensduur verbeteren. TaC bezit een goede elektrische geleidbaarheid en kan niet-stoichiometrische verbindingen vormen, waarbij de geleidbaarheid varieert afhankelijk van de samenstelling. Deze eigenschap maakt TaC een veelbelovende kandidaat voor toepassingen in elektronische materialen. Met betrekking tot de katalytische dehydrogenering van TaC hebben onderzoeken naar de katalytische prestaties van TiC en TaC aangetoond dat TaC vrijwel geen katalytische activiteit vertoont bij lagere temperaturen, maar dat de katalytische activiteit aanzienlijk toeneemt boven 1000 ℃. Uit onderzoek naar de katalytische prestaties van CO is gebleken dat bij 300℃ de katalytische producten van TaC methaan, water en kleine hoeveelheden olefinen omvatten.

Semicorex biedt hoogwaardige kwaliteitTantaalcarbide producten. Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Neem contact op met telefoonnummer +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com