Истраживачи су демонстрирали нову технику која користи ласере за прављење керамике која може да издржи ултра-високе температуре, са применама у распону од технологија нуклеарне енергије до свемирских летелица и издувних система млазњака. Техника се може користити за креирање керамичких премаза, плочица или сложених тродимензионалних-структура, што омогућава већу разноврсност при пројектовању нових уређаја и технологија.
„Синтеровање је процес којим се сировине – било у праху или у течности – претварају у керамички материјал“, каже Шерил Ксу, ко-кореспондентни аутор рада о овом истраживању и професор машинства и ваздухопловства на Државном универзитету Северне Каролине. „За овај рад фокусирали смо се на ултра-керамику високе температуре звану хафнијум карбид (ХфЦ). Традиционално, синтеровање ХфЦ захтева стављање сировина у пећ која може да достигне температуру од најмање 2.200 степени Целзијуса – процес који је-захтеван за време и енергију.
„Наша техника је бржа, лакша и захтева мање енергије.
Нова техника функционише применом ласера од 120 вати на површину течног полимерног прекурсора у инертном окружењу, као што је вакуумска комора или комора испуњена аргоном. Ласер синтерује течност, претварајући је у чврсту керамику. Ово се може користити на два различита начина.
прво,течни прекурсор се може применити као премаз на структуру која лежи испод, као што су угљенични композити који се користе у хиперсоничним технологијама као што су пројектили и возила за истраживање свемира. Прекурсор се може нанети на површину структуре, а затим синтеровати ласером.
„Пошто процес синтеровања не захтева излагање целе структуре топлоти пећи, нова техника обећава јер нам омогућава наношење керамичких премаза на ултра{0}}високим температурама на материјале који могу бити оштећени синтеровањем у пећи“, каже Сју.
Другиначин на који инжењери могу да искористе нову технику синтеровања укључује адитивну производњу, такође познату као 3Д штампа. Конкретно, метода ласерског синтеровања може се користити у комбинацији са техником која је слична стереолитографији.
У овој техници, ласер се монтира на сто који се налази у кади течног прекурсора. Да би направили тродимензионалну-структуру, истраживачи креирају дигитални дизајн структуре, а затим ту структуру „режу“ на слојеве. За почетак, ласер црта профил првог слоја структуре у полимеру, испуњавајући профил као да боји слику. Како ласер "пуни" ову област, топлотна енергија претвара течни полимер у керамику. Сто се затим спушта још мало у полимерну купку, а сечиво прелази преко врха да изједначи површину. Ласер затим синтерује други слој структуре и овај процес се понавља све док не добијете готов производ направљен од синтероване керамике.
„Заправо је мало поједностављено рећи да је ласерсамосинтеровање течног прекурсора," каже Ксу. "Тачније је рећи да ласер прво претвара течни полимер у чврсти полимер, а затим претвара чврсти полимер у керамику. Међутим, све се ово дешава веома брзо – то је у суштини процес у једном-корак.“
Као доказ-испитивања{1}}концепта, истраживачи су показали да је техника ласерског синтеровања произвела кристални, фазно-чисти ХфЦ из течног полимерног прекурсора.
„Ово је први пут да знамо где је неко успео да створи ХфЦ овог квалитета од течног полимерног прекурсора“, каже Ксу. „А ултра-керамика високе температуре, као што име каже, корисна је за широк спектар примена где технологије морају да издрже екстремне температуре, као што је производња нуклеарне енергије.“
Истраживачи су такође показали да се ласерско синтеровање може користити за стварање висококвалитетних ХфЦ премаза од угљеничних{0}}композита ојачаних угљеничним влакнима (Ц/Ц). У основи, керамички премаз је везан за основну структуру и није се ољуштио.
"ХфЦ премази на Ц/Ц подлогама показали су снажну адхезију, уједначену покривеност и потенцијал за употребу као термичка заштита и слој отпоран на оксидацију", каже Ксу. „Ово је посебно корисно јер се, поред хиперсоничних примена, структуре угљеника/угљеника користе у ракетним млазницама, кочионим дисковима и системима топлотне заштите у ваздухопловству као што су носни конуси и предње ивице крила.
Нова техника ласерског синтеровања је такође значајно ефикаснија од конвенционалног синтеровања на неколико начина.
„Наша техника нам омогућава да направимо керамичке структуре и премазе на ултра{0}}и високим температурама за неколико секунди или минута, док конвенционалне технике трају сатима или данима“, каже Сју. "И пошто је ласерско синтеровање брже и високо локализовано, користи знатно мање енергије. Штавише, наш приступ даје већи принос. Тачније, ласерско синтеровање претвара најмање 50% масе прекурсора у керамику. Конвенционални приступи обично конвертују само 20-40% прекурсора."
„На крају, наша техника је релативно преносива“, каже Ксу. „Да, то мора да се уради у инертном окружењу, али транспорт вакуум коморе и опреме за производњу адитива је много лакши од транспорта моћне,-пећи великих размера.
„Узбуђени смо због овог напретка у керамици и отворени смо за сарадњу са јавним и приватним партнерима на транзицији ове технологије за употребу у практичним применама“, каже Ксу.
Рад „Синтеза хафнијум карбида (ХфЦ) путем једно-селективне ласерске реакције пиролизе из течног полимера прекурсора“ објављен је уЧасопис Америчког керамичког друштва. Ко-кореспондентни аутор рада је Тиеганг Фанг, професор машинства и ваздухопловства у држави НЦ. Ко{3}}први аутори рада су Схалини Рајпоот, постдокторски истраживач на НЦ Стате, и Каусхик Нонавинакере Винод, др. студент у држави НЦ.
Истраживање је урађено уз подршку Центра за адитивну производњу напредне керамике, који се налази на Универзитету Северне Каролине у Шарлоту.
