Дослідники продемонстрували нову техніку, яка використовує лазери для створення кераміки, яка може витримувати над-високі температури, із застосуванням, починаючи від технологій ядерної енергії до космічних кораблів і реактивних вихлопних систем. Цю техніку можна використовувати для створення керамічних покриттів, плиток або складних тривимірних конструкцій, що забезпечує більшу універсальність під час розробки нових пристроїв і технологій.
«Спікання — це процес, за допомогою якого вихідні матеріали (порошки або рідини) перетворюються на керамічний матеріал», — каже Шеріл Сю, спів{0}}автор статті про це дослідження та професор механічної та аерокосмічної інженерії в Університеті штату Північна Кароліна. "Для цієї роботи ми зосередилися на над-кераміці під назвою карбід гафнію (HfC). Традиційно спікання HfC вимагає поміщення сировини в піч, яка може досягати температури принаймні 2200 градусів Цельсія. Цей процес є трудомістким-і енергоємним.
«Наша техніка швидша, легша та потребує менше енергії».
Нова техніка працює шляхом застосування 120-ватного лазера до поверхні рідкого полімерного прекурсора в інертному середовищі, такому як вакуумна камера або камера, заповнена аргоном. Лазер спікає рідину, перетворюючи її на тверду кераміку. Це можна використовувати двома різними способами.
по-перше,рідкий прекурсор можна наносити як покриття на базову структуру, наприклад, на вуглецеві композити, що використовуються в гіперзвукових технологіях, таких як ракети та апарати для дослідження космосу. Попередник можна наносити на поверхню конструкції, а потім спекати за допомогою лазера.
«Оскільки процес спікання не вимагає впливу тепла печі на всю конструкцію, нова техніка є багатообіцяючою, оскільки дозволяє нам наносити ультра{0}}керамічні покриття на матеріали, які можуть бути пошкоджені спіканням у печі», — каже Сю.
другийСпосіб, за допомогою якого інженери можуть використовувати нову техніку спікання, включає адитивне виробництво, також відоме як 3D-друк. Зокрема, метод лазерного спікання можна використовувати в поєднанні з технікою, подібною до стереолітографії.
У цій техніці лазер встановлюється на стіл, який знаходиться у ванні з рідким прекурсором. Щоб створити три{1}}вимірну структуру, дослідники створюють цифровий дизайн структури, а потім «розрізають» цю структуру на шари. Для початку лазер малює профіль першого шару структури в полімері, заповнюючи профіль, ніби розфарбовуючи малюнок. Коли лазер «заповнює» цю область, теплова енергія перетворює рідкий полімер на кераміку. Потім стіл опускається трохи глибше в полімерну ванну, а лезо проходить по верху, щоб вирівняти поверхню. Потім лазер спікає другий шар конструкції, і цей процес повторюється, поки ви не отримаєте готовий виріб зі спеченої кераміки.
«Насправді було б занадто спрощено сказати, що це лазертількиспікання рідкого прекурсора, - говорить Сюй. - Точніше сказати, що лазер спочатку перетворює рідкий полімер на твердий полімер, а потім перетворює твердий полімер на кераміку. Однак усе це відбувається дуже швидко – це, по суті,-етапний процес".
Під час перевірки-концепції-дослідники продемонстрували, що техніка лазерного спікання дає кристалічний фазово-чистий HfC із попереднього рідкого полімеру.
«Це перший випадок, коли ми знаємо, де хтось зміг створити HfC такої якості з попереднього рідкого полімеру», — говорить Сюй. «Над-кераміка з ультрависокими температурами, як випливає з назви, корисна для широкого спектру застосувань, де технології мають витримувати екстремальні температури, наприклад для виробництва ядерної енергії».
Дослідники також продемонстрували, що лазерне спікання можна використовувати для створення високоякісних HfC покриттів вуглецевих -волоконних вуглецевих композитів (C/C). По суті, керамічне покриття з’єдналося з основною структурою і не відшарувалося.
«Покриття HfC на підкладках C/C продемонстрували міцну адгезію, рівномірне покриття та потенціал для використання як термозахист і шар, стійкий до окислення», — говорить Сюй. «Це особливо корисно, тому що, на додаток до гіперзвукових застосувань, структури вуглець/вуглець використовуються в ракетних соплах, гальмівних дисках і аерокосмічних системах теплового захисту, таких як носові конуси та передні кромки крил».
Нова техніка лазерного спікання також значно ефективніша за звичайне спікання в кількох аспектах.
«Наша техніка дозволяє нам створювати над-керамічні структури та покриття за секунди чи хвилини, тоді як звичайні методи займають години або дні», — каже Сю. «І оскільки лазерне спікання є швидшим і дуже локалізованим, воно використовує значно менше енергії. Більше того, наш підхід забезпечує більший вихід. Зокрема, лазерне спікання перетворює принаймні 50% маси прекурсора на кераміку. Звичайні підходи зазвичай перетворюють лише 20-40% прекурсора.
«Нарешті, наша техніка відносно портативна», — каже Сюй. «Так, це потрібно робити в інертному середовищі, але транспортувати вакуумну камеру та обладнання для виробництва добавок набагато легше, ніж транспортувати потужну-масштабну піч.
«Ми в захваті від цього прогресу в кераміці та відкриті для співпраці з державними та приватними партнерами, щоб перевести цю технологію для використання в практичних цілях», — каже Сюй.
Стаття "Синтез карбіду гафнію (HfC) за допомогою одно-ступінчастого селективного піролізу лазерної реакції з рідкого полімерного прекурсора" опублікована вЖурнал Американського керамічного товариства. Спів-автором статті є Тіганг Фанг, професор механічної та аерокосмічної інженерії в штаті Північна Кароліна. Спів{3}}авторами статті є Шаліні Раджпут, докторант із штату Північна Кароліна, і Каушік Нонавінакере Вінод, доктор філософії. студент штату NC.
Дослідження проводилося за підтримки Центру адитивного виробництва вдосконаленої кераміки, який базується в Університеті Північної Кароліни в Шарлотті.
