Tutkijat ovat osoittaneet uuden tekniikan, jossa laserilla luodaan keramiikkaa, joka kestää erittäin{0}}korkeita lämpötiloja. Sovellukset vaihtelevat ydinvoimateknologioista avaruusaluksiin ja suihkujen pakojärjestelmiin. Tekniikkaa voidaan käyttää keraamisten pinnoitteiden, laattojen tai monimutkaisten kolmiulotteisten rakenteiden luomiseen, mikä mahdollistaa monipuolisuuden uusien laitteiden ja teknologioiden suunnittelussa.
"Sintraus on prosessi, jolla raaka-aineet – joko jauheet tai nesteet – muunnetaan keraamiseksi materiaaliksi", sanoo Cheryl Xu, tätä tutkimusta käsittelevän artikkelin vastaava kirjoittaja ja North Carolina State Universityn mekaanisen ja ilmailutekniikan professori. "Tässä työssä keskityimme ultra-korkean lämpötilan keramiikkaan nimeltä hafniumkarbidi (HfC). Perinteisesti HfC:n sintraus edellyttää raaka-aineiden sijoittamista uuniin, joka voi saavuttaa vähintään 2 200 celsiusasteen lämpötilan – prosessi, joka on aikaa{6}}ja energiaintensiivinen.
"Tekniikkamme on nopeampi, helpompi ja vaatii vähemmän energiaa."
Uusi tekniikka toimii levittämällä 120 watin laseria nestemäisen polymeerin esiasteen pinnalle inertissä ympäristössä, kuten tyhjiökammiossa tai argonilla täytettyyn kammioon. Laser sintraa nesteen ja muuttaa sen kiinteäksi keramiikaksi. Tätä voidaan käyttää kahdella eri tavalla.
Ensimmäinen,nestemäistä esiastetta voidaan levittää pinnoitteena alla olevalle rakenteelle, kuten hiilikomposiitteille, joita käytetään hypersonic-teknologioissa, kuten ohjuksissa ja avaruustutkimusajoneuvoissa. Esiaste voidaan levittää rakenteen pinnalle ja sitten sintrata laserilla.
"Koska sintrausprosessi ei edellytä koko rakenteen altistamista uunin lämmölle, uudella tekniikalla on lupaus antaa meille mahdollisuus levittää ultra-korkean lämpötilan keraamisia pinnoitteita materiaaleihin, jotka voivat vaurioitua uunissa sintraamalla", Xu sanoo.
Toinentapa, jolla insinöörit voivat hyödyntää uutta sintraustekniikkaa, on additiivinen valmistus, joka tunnetaan myös nimellä 3D-tulostus. Erityisesti lasersintrausmenetelmää voidaan käyttää stereolitografiaa muistuttavan tekniikan yhteydessä.
Tässä tekniikassa laser asennetaan pöydälle, joka sijaitsee nestemäisen esiasteen kylvyssä. Kolmiulotteisen rakenteen luomiseksi tutkijat luovat rakenteesta digitaalisen suunnittelun ja sitten "leikkaavat" rakenteen kerroksiksi. Aluksi laser piirtää polymeeriin rakenteen ensimmäisen kerroksen profiilin täyttäen profiilin ikään kuin värittäen kuvan. Kun laser "täyttää" tämän alueen, lämpöenergia muuttaa nestemäisen polymeerin keramiikaksi. Pöytä laskeutuu sitten hieman syvemmälle polymeerikylpyyn, ja terä pyyhkäisee yläosan poikki tasoittaakseen pintaa. Laser sintraa sitten rakenteen toisen kerroksen, ja tämä prosessi toistuu, kunnes olet valmis sintratusta keramiikasta.
"On itse asiassa hieman liioiteltua sanoa, että laser onvainsintraamalla nestemäisen esiasteen", Xu sanoo. "On tarkempaa sanoa, että laser muuntaa ensin nestemäisen polymeerin kiinteäksi polymeeriksi ja sitten muuntaa kiinteän polymeerin keramiikaksi. Kaikki tämä tapahtuu kuitenkin hyvin nopeasti – se on pohjimmiltaan yksi-vaiheinen prosessi."
Todisteeksi-konseptitestauksesta-tutkijat osoittivat, että lasersintraustekniikka tuotti kiteistä, faasi-puhdasta HfC:tä nestemäisestä polymeerin esiasteesta.
"Tämä on ensimmäinen kerta, kun tiedämme, missä joku pystyi luomaan tämänlaatuista HfC:tä nestemäisestä polymeerin esiasteesta", Xu sanoo. "Ja ultra-korkean lämpötilan keramiikka, kuten nimestä voi päätellä, on hyödyllinen monenlaisissa sovelluksissa, joissa teknologioiden on kestettävä äärimmäisiä lämpötiloja, kuten ydinenergian tuotannossa."
Tutkijat osoittivat myös, että lasersintrausta voidaan käyttää korkealaatuisten HfC-pinnoitteiden luomiseen hiili-kuituvahvisteisista hiilikomposiiteista (C/C). Periaatteessa keraaminen pinnoite kiinnittyi alla olevaan rakenteeseen eikä kuoriutunut pois.
"C/C-alustojen HfC-pinnoitteet osoittivat vahvaa tarttuvuutta, tasaista peittoa ja potentiaalia käyttää lämpösuojana ja hapettumista kestävänä kerroksena", Xu sanoo. "Tämä on erityisen hyödyllistä, koska hypersonic-sovellusten lisäksi hiili/hiilirakenteita käytetään rakettisuuttimissa, jarrulevyissä ja ilmailun lämpösuojajärjestelmissä, kuten nokkakartioissa ja siipien etureunoissa."
Uusi lasersintraustekniikka on myös huomattavasti tehokkaampi kuin perinteinen sintraus monella tapaa.
"Tekniikkamme avulla voimme luoda erittäin{0}}korkean lämpötilan keraamisia rakenteita ja pinnoitteita sekunneissa tai minuuteissa, kun taas perinteiset tekniikat vievät tunteja tai päiviä", Xu sanoo. "Ja koska lasersintraus on nopeampaa ja erittäin paikallista, se käyttää huomattavasti vähemmän energiaa. Lisäksi lähestymistapamme tuottaa suuremman tuoton. Erityisesti lasersintraus muuntaa vähintään 50 % esiastemassasta keramiikkaaksi. Tavanomaiset lähestymistavat muuntavat yleensä vain 20-40 % esiasteesta.
"Lopuksi tekniikkamme on suhteellisen kannettava", Xu sanoo. "Kyllä, se on tehtävä inertissä ympäristössä, mutta tyhjiökammion ja lisäaineiden valmistuslaitteiden kuljettaminen on paljon helpompaa kuin tehokkaan, suuren{1}}uunin kuljettaminen.
"Olemme innoissamme tästä edistyksestä keramiikan alalla ja olemme avoimia työskentelemään julkisten ja yksityisten kumppaneiden kanssa tämän tekniikan siirtämiseksi käytettäväksi käytännön sovelluksissa", Xu sanoo.
Paperi "Synthesis of Hafnium Carbide (HfC) via One{0}}Step Selective Laser Reaction Pyrolysis from Liquid Polymer Precursor" on julkaistuAmerican Ceramic Societyn lehti. Paperin vastaava kirjoittaja on Tiegang Fang, NC Staten mekaniikka- ja ilmailutekniikan professori. Ensimmäiset kirjoittajat ovat Shalini Rajpoot, tutkijatohtori NC Statesta ja Kaushik Nonavinakere Vinod, Ph.D. opiskelija NC Statessa.
Tutkimus tehtiin Charlotten Pohjois-Carolinan yliopistossa sijaitsevan Advanced Ceramicsin Additive Manufacture -keskuksen tuella.
