Возобновляемые покрытия карбида бора

Оптовые поставки химического сырья и промышленной химии по всей России.

Возобновляемые покрытия карбида бора
Задать вопрос
Наши специалисты ответят на любой интересующий вопрос по услуге

Недавно покрытие карбида бора с составом, близким к стехиометрическому (B4C), было нанесено в гелиевой плазме установки PISCES-B (Te ~ 40 эВ, ne ~ 2·1017 м-3, плотность электронного потока ~2·1017 м-2·с-1), параметры которой близки параметрам плазмы в диверторе токамака DIII-D. При осаждении покрытия подложки находились под плавающим потенциалом (~160 эВ), величина которого примерно определяла энергию бомбардирующих подложку ионов. Таким образом, условия на поверхности оказывались близкими тем, что существуют на поверхности дивертора токамака с малым рециклингом.

В качестве рабочего вещества в экспериментах использовался нетоксичный, невзрывоопасный и сравнительно дешевый карборан (C2B10H12). Молекулярная структура карборана — это додекаэдр, построенный из атомов бора и углерода и окруженный атомами углерода, которые присоединены к каждой B/C-связи.

Температура плавления карборана равна ~370 К, однако он заметно сублимирует уже при комнатной температуре. Кристаллический карборан помещался в контейнер, температура которого регулировалась в диапазоне 300-450 К. Меняя температуру контейнера, удавалось изменять скорость поступления паров карборана в камеру PISCES-B. Температура подложек менялась от комнатной до 700 К, а время осаждения от 2 до 30 минут.

Осажденные покрытия имели структуру карбида бора, хотя их стехиометрия оставалась несовершенной. Для подложек с малым Z (C, Al) отношение B/C в осажденном слое варьировалось от 3,0 до 3,6. Скорость напыления была чрезвычайно высокой и достигала 30 нм в секунду, что примерно в тысячу раз превышает скорость напыления бороуглеродных покрытий в тлеющем разряде, широко используемом в токамаках в настоящее время. 

Толщина напыляемого слоя зависела от длительности разряда и достигала 40 мкм. Покрытие оказывалось плотным, не имело пор, отличалось высокой твердостью и хорошей адгезией к поверхности. Авторы полагают, что получение покрытия с такими свойствами так же, как и большая скорость осаждения, объясняется высокой степенью ионизации и диссоциации карборана в плазме PISCES-B, имеющей намного более высокие плотность и электронную температуру (~40 эВ) по сравнению с плазмой тлеющего разряда, электронная температура которого не превышает ~1 эВ. Авторы сделали вывод о том, что в плазме современных термоядерных установок можно наносить «толстые» слои карбида бора, по составу приближающиеся к стехиометрическому B4C.

Покрытие карбида бора, нанесенное по методике, описанной в, может служить долговременной защитой контактирующих с плазмой материалов. Основываясь на собранных в данных об условиях облучения первой стенки ИТЭР, суммарный коэффициент эрозии карбида бора на первой стенке может быть оценен как  (1-3)10-2 ат./ион. Это приблизительно на порядок величины меньше, чем ожидаемая эрозия мелкозернистых графитов и CFC в тех же условиях.

Можно привести по крайней мере две причины такой разницы. Коэффициенты физического и химического распыления карбида бора малы по сравнению с чистыми графитами и CFC. Захват водорода и, соответственно, гидратация структуры карбида бора намного меньше, чем у графитов и CFC. Поэтому ускорение химического распыления за счет гидратации поверхностного слоя также оказывается незначительным.

Ожидаемый поток частиц на первую стенку ИТЭР равняется примерно 1·1020 м-2·с-1. Скорость эрозии покрытия карбида бора будет достигать примерно  (1-3)1018 м-2·с-1 на участках, не подверженных переосаждению. Таким образом, достаточно иметь покрытие толщиной ~10 мкм для защиты графитовых тайлов в течение 100-300 часов работы токамака. Поэтому в течение физической стадии работы ИТЭР потребуется всего несколько возобновлений in situ защитного слоя карбида бора.

Как файлы из графита РГТ с таким покрытием будут вести себя в условиях дивертора ИТЭР?

Насколько уменьшится температура поверхности таких тайлов по сравнению с тайлами из CFC?

Окажется ли возможным значительно уменьшить общую скорость эрозии? Как долго будет служить покрытие и как часто будет требоваться его восстановление? Все эти вопросы еще ждут своего изучения.


Заказать услугу
Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.