Raziskovalci so prikazali novo tehniko, ki uporablja laserje za izdelavo keramike, ki lahko prenese ultra-visoke temperature, z aplikacijami, ki segajo od tehnologij jedrske energije do vesoljskih plovil in reaktivnih izpušnih sistemov. Tehniko je mogoče uporabiti za ustvarjanje keramičnih premazov, ploščic ali zapletenih tri-dimenzionalnih struktur, kar omogoča večjo vsestranskost pri načrtovanju novih naprav in tehnologij.
»Sintranje je postopek, s katerim se surovine – praški ali tekočine – pretvorijo v keramični material,« pravi Cheryl Xu, so-avtorica prispevka o tej raziskavi in profesorica strojništva in vesoljskega inženiringa na Državni univerzi Severne Karoline. »Za to delo smo se osredotočili na ultra-visokotemperaturno keramiko, imenovano hafnijev karbid (HfC). Tradicionalno je treba za sintranje HfC postaviti surovine v peč, ki lahko doseže temperature najmanj 2200 stopinj Celzija – proces, ki je dolgotrajen-in energetsko intenziven.
"Naša tehnika je hitrejša, lažja in zahteva manj energije."
Nova tehnika deluje z uporabo 120-vatnega laserja na površino prekurzorja tekočega polimera v inertnem okolju, kot je vakuumska komora ali komora, napolnjena z argonom. Laser sintra tekočino in jo spremeni v trdno keramiko. To je mogoče uporabiti na dva različna načina.
Prvič,tekoči predhodnik se lahko nanese kot premaz na osnovno strukturo, kot so ogljikovi kompoziti, ki se uporabljajo v hiperzvočnih tehnologijah, kot so rakete in vozila za raziskovanje vesolja. Prekurzor se lahko nanese na površino strukture in nato sintra z laserjem.
»Ker proces sintranja ne zahteva izpostavljanja celotne strukture toploti peči, je nova tehnika obetavna, saj nam omogoča nanašanje ultra{0}}visokotemperaturnih keramičnih premazov na materiale, ki se lahko poškodujejo zaradi sintranja v peči,« pravi Xu.
DrugiNačin, kako lahko inženirji uporabijo novo tehniko sintranja, vključuje aditivno proizvodnjo, znano tudi kot 3D-tiskanje. Natančneje, metodo laserskega sintranja je mogoče uporabiti v povezavi s tehniko, ki je podobna stereolitografiji.
Pri tej tehniki je laser nameščen na mizi, ki je v kopeli tekočega predhodnika. Da bi ustvarili tri{1}}dimenzionalno strukturo, raziskovalci ustvarijo digitalno zasnovo strukture in nato to strukturo "razrežejo" na plasti. Za začetek laser nariše profil prve plasti strukture v polimeru in zapolni profil, kot bi barval sliko. Ko laser "zapolni" to področje, toplotna energija pretvori tekoči polimer v keramiko. Miza se nato spusti nekoliko dlje v polimerno kopel in rezilo pometa po vrhu, da izravna površino. Laser nato sintra drugo plast strukture in ta postopek se ponavlja, dokler ne dobite končnega izdelka iz sintrane keramike.
"Pravzaprav je malo preveč poenostavljeno reči, da je lasersamosintranje tekočega predhodnika," pravi Xu. "Natančneje je reči, da laser najprej pretvori tekoči polimer v trden polimer in nato pretvori trden polimer v keramiko. Vendar se vse to zgodi zelo hitro – v bistvu gre za-postopek v enem koraku."
Pri preizkusu-of-koncepta so raziskovalci pokazali, da je tehnika laserskega sintranja proizvedla kristalni, fazno-čisti HfC iz predhodnika tekočega polimera.
"To je prvič, da vemo, kje je nekdo lahko ustvaril HfC te kakovosti iz predhodnika tekočega polimera, " pravi Xu. "In ultra{1}}visokotemperaturna keramika, kot pove že ime, je uporabna za širok spekter aplikacij, kjer morajo tehnologije prenesti ekstremne temperature, kot je proizvodnja jedrske energije."
Raziskovalci so tudi dokazali, da bi lasersko sintranje lahko uporabili za ustvarjanje visokokakovostnih HfC prevlek ogljikovih kompozitov (C/C), ojačanih z -ogljičnimi vlakni. V bistvu se je keramična prevleka povezala s spodnjo strukturo in se ni odluščila.
"Prevleke iz HfC na podlagah C/C so pokazale močan oprijem, enakomerno pokritost in potencial za uporabo kot toplotna zaščita in plast, odporna na oksidacijo," pravi Xu. "To je še posebej uporabno, ker se poleg hiperzvočnih aplikacij strukture ogljik/ogljik uporabljajo v raketnih šobah, zavornih kolutih in letalskih sistemih toplotne zaščite, kot so nosni stožci in vodilni robovi kril."
Nova tehnika laserskega sintranja je tudi na več načinov bistveno učinkovitejša od običajnega sintranja.
»Naša tehnika nam omogoča ustvarjanje ultra{0}}visokotemperaturnih keramičnih struktur in premazov v sekundah ali minutah, medtem ko običajne tehnike trajajo ure ali dneve,« pravi Xu. "In ker je lasersko sintranje hitrejše in zelo lokalizirano, porabi bistveno manj energije. Še več, naš pristop daje večji izkoristek. Natančneje, lasersko sintranje pretvori vsaj 50 % mase predhodne sestavine v keramiko. Običajni pristopi običajno pretvorijo le 20-40 % predhodne sestavine.
"Nazadnje je naša tehnika razmeroma prenosljiva, " pravi Xu. »Da, to je treba izvesti v inertnem okolju, vendar je prevoz vakuumske komore in opreme za aditivno proizvodnjo veliko lažji kot prevoz zmogljive,-velike peči.
"Navdušeni smo nad tem napredkom v keramiki in smo odprti za sodelovanje z javnimi in zasebnimi partnerji pri prehodu te tehnologije za uporabo v praktičnih aplikacijah," pravi Xu.
Članek »Sinteza hafnijevega karbida (HfC) prek eno-stopenjske selektivne laserske reakcijske pirolize iz prekurzorja tekočega polimera« je objavljen vČasopis Ameriškega keramičnega društva. So-avtor prispevka je Tiegang Fang, profesor strojništva in vesoljskega inženiringa na univerzi NC State. So-prva avtorja prispevka sta Shalini Rajpoot, podoktorska raziskovalka na NC State, in Kaushik Nonavinakere Vinod, doktorat. študent na NC State.
Raziskava je bila izvedena s podporo Centra za aditivno proizvodnjo napredne keramike, ki ima sedež na Univerzi Severne Karoline v Charlottu.
