Tyrėjai pademonstravo naują techniką, kurią naudojant lazeriai sukuria keramiką, kuri gali atlaikyti itin{0}}aukštas temperatūras. Tai taikoma nuo branduolinės energijos technologijų iki erdvėlaivių ir reaktyvinių išmetimo sistemų. Šią techniką galima naudoti kuriant keramines dangas, plyteles arba sudėtingas trijų matmenų struktūras, o tai leidžia padidinti universalumą kuriant naujus įrenginius ir technologijas.
„Sukepinimas yra procesas, kurio metu žaliavos – milteliai arba skysčiai – paverčiamos keramikine medžiaga“, – sako Cheryl Xu, šio tyrimo bendraautorė ir Šiaurės Karolinos valstijos universiteto mechanikos ir kosmoso inžinerijos profesorė. „Šiame darbe daugiausia dėmesio skyrėme itin-aukštos temperatūros keramikai, vadinamai hafnio karbidu (HfC). Tradiciškai sukepinant HfC žaliavas reikia dėti į krosnį, kurios temperatūra gali siekti bent 2 200 laipsnių Celsijaus – tai daug laiko ir energijos reikalaujantis procesas.
"Mūsų technika yra greitesnė, lengvesnė ir reikalauja mažiau energijos."
Naujoji technika veikia taikant 120 vatų lazerį ant skysto polimero pirmtako paviršiaus inertinėje aplinkoje, pavyzdžiui, vakuuminėje kameroje arba kameroje, užpildytoje argonu. Lazeris sukepina skystį, paversdamas jį kieta keramika. Tai gali būti naudojama dviem skirtingais būdais.
Pirma,skystas pirmtakas gali būti dengiamas kaip pagrindinės struktūros, pvz., anglies kompozitų, naudojamų hipergarsinėse technologijose, pvz., raketose ir kosmoso tyrinėjimo transporto priemonėse, danga. Pirmtaką galima užtepti ant konstrukcijos paviršiaus ir tada sukepinti lazeriu.
„Kadangi sukepinimo procesas nereikalauja, kad visa konstrukcija būtų veikiama krosnies karščio, naujoji technika yra daug žadanti ir leis mums padengti itin{0}}aukštos temperatūros keraminėmis dangomis medžiagas, kurios gali būti pažeistos sukepinant krosnyje“, – sako Xu.
Antrasisbūdas, kuriuo inžinieriai gali panaudoti naują sukepinimo techniką, apima priedų gamybą, taip pat žinomą kaip 3D spausdinimas. Konkrečiai, lazerinis sukepinimo metodas gali būti naudojamas kartu su technika, panašia į stereolitografiją.
Taikant šią techniką, lazeris montuojamas ant stalo, esančio skysčio pirmtako vonioje. Norėdami sukurti trimatę struktūrą, mokslininkai sukuria skaitmeninį struktūros dizainą ir „supjausto“ tą struktūrą į sluoksnius. Pirmiausia lazeriu polimere nubraižo pirmojo konstrukcijos sluoksnio profilį, užpildydamas profilį tarsi nuspalvindamas paveikslą. Lazeriui „užpildant“ šią sritį, šiluminė energija skystą polimerą paverčia keramika. Tada stalas šiek tiek nusileidžia į polimerinę vonią, o per viršų braukia peiliukas, kad išlygintų paviršių. Tada lazeris sukepina antrąjį konstrukcijos sluoksnį, ir šis procesas kartojasi tol, kol iš sukepintos keramikos pagaminsite gatavą gaminį.
„Tiesą sakant, sakyti, kad lazeris yra, yra šiek tiek supaprastintatiksukepinant skystą pirmtaką“, – sako Xu. „Tiksliau sakyti, kad lazeris pirmiausia skystą polimerą paverčia kietu polimeru, o paskui kietąjį polimerą paverčia keramika. Tačiau visa tai vyksta labai greitai – iš esmės tai vieno{2}}veiksmo procesas.
Įrodydami -koncepcinį bandymą-, mokslininkai įrodė, kad lazerinio sukepinimo technika iš skysto polimero pirmtako pagamino kristalinį, fazės-gryną HfC.
„Tai pirmas kartas, kai žinome, kur kas nors sugebėjo sukurti tokios kokybės HfC iš skysto polimero pirmtako“, - sako Xu. „Ir itin-aukštos temperatūros keramika, kaip rodo pavadinimas, yra naudinga įvairioms reikmėms, kai technologijos turi atlaikyti ekstremalias temperatūras, pavyzdžiui, branduolinės energijos gamybai.
Tyrėjai taip pat įrodė, kad lazerinis sukepinimas gali būti naudojamas aukštos kokybės HfC dangoms iš anglies -pluoštu sustiprintų anglies kompozitų (C/C) sukurti. Iš esmės keraminė danga susiliejo su pagrindine struktūra ir nenulupo.
"HfC dangos ant C / C pagrindo parodė stiprų sukibimą, vienodą padengimą ir potencialą naudoti kaip šiluminę apsaugą ir oksidacijai atsparų sluoksnį", - sako Xu. „Tai ypač naudinga, nes be hipergarsinių programų, anglies ir anglies struktūros naudojamos raketų purkštukuose, stabdžių diskuose ir erdvėlaivių šiluminės apsaugos sistemose, tokiose kaip nosies kūgiai ir sparnų priekiniai kraštai.
Naujoji lazerinio sukepinimo technika taip pat yra žymiai efektyvesnė už įprastą sukepinimą keliais būdais.
„Mūsų technika leidžia sukurti itin{0}}aukštos temperatūros keramines struktūras ir dangas per kelias sekundes ar minutes, o įprastiniai metodai užtrunka valandas ar dienas“, – sako Xu. "Ir kadangi lazerinis sukepinimas yra greitesnis ir labai lokalizuotas, sunaudojama žymiai mažiau energijos. Be to, mūsų metodas duoda didesnį derlių. Tiksliau, lazerinis sukepinimas paverčia mažiausiai 50% pirmtako masės į keramiką. Įprasti metodai paprastai paverčia tik 20-40% pirmtako.
„Galiausiai mūsų technika yra gana nešiojama“, - sako Xu. „Taip, tai turi būti daroma inertinėje aplinkoje, bet gabenti vakuuminę kamerą ir priedų gamybos įrangą yra daug lengviau nei gabenti galingą, didelės apimties krosnį.
„Džiaugiamės šia pažanga keramikos srityje ir esame atviri bendradarbiauti su viešaisiais ir privačiais partneriais, kad ši technologija būtų pritaikyta naudoti praktikoje“, – sako Xu.
Straipsnis „Hafnio karbido (HfC) sintezė naudojant vieno{0}}veiksmo selektyviosios lazerinės reakcijos pirolizę iš skystojo polimero pirmtako“ paskelbtasAmerikos keramikos draugijos leidinys. Bendradarbiaujantis-straipsnio autorius yra Tiegang Fang, NC valstijos mechanikos ir kosmoso inžinerijos profesorius. Pirmieji šio straipsnio autoriai yra Shalini Rajpoot, NC valstijos doktorantas, ir Kaushik Nonavinakere Vinod, mokslų daktaras. studentas NC valstijoje.
Tyrimas buvo atliktas remiant Pažangios keramikos priedų gamybos centrą, kuris yra Šiaurės Karolinos universitete Šarlotėje.
