A kutatók egy új technikát mutattak be, amely lézerek segítségével ultra{0}}magas hőmérsékletnek ellenálló kerámiákat készít. Az alkalmazások az atomenergia-technológiától az űrrepülőgépekig és a sugárhajtású kipufogórendszerekig terjednek. A technika kerámia bevonatok, csempék vagy összetett háromdimenziós szerkezetek készítésére használható, ami lehetővé teszi a sokoldalúság növelését új eszközök és technológiák tervezése során.
„A szinterezés az a folyamat, amelynek során a nyersanyagokat – akár porokat, akár folyadékokat – kerámiaanyaggá alakítanak át” – mondja Cheryl Xu, a kutatásról szóló cikk társszerzője, valamint az Észak-Karolinai Állami Egyetem gépészeti és repülőgépmérnöki professzora. "Ennél a munkánál a hafnium-karbidnak (HfC) nevezett ultra-magas hőmérsékletű kerámiára összpontosítottunk. Hagyományosan a HfC szinterezéséhez olyan kemencébe kell helyezni a nyersanyagokat, amelyek legalább 2200 Celsius-fok hőmérsékletet érhetnek el – ez a folyamat idő- és energiaigényes.
"A mi technikánk gyorsabb, könnyebb és kevesebb energiát igényel."
Az új technika úgy működik, hogy 120 wattos lézert alkalmaznak egy folyékony polimer prekurzor felületére inert környezetben, például vákuumkamrában vagy argonnal töltött kamrában. A lézer szintereli a folyadékot, szilárd kerámiává alakítva. Ezt kétféleképpen lehet használni.
Első,a folyékony prekurzor bevonatként alkalmazható egy mögöttes szerkezetre, például szénkompozitokra, amelyeket hiperszonikus technológiákban, például rakétákban és űrkutató járművekben használnak. A prekurzor felvihető a szerkezet felületére, majd a lézerrel szinterezhető.
„Mivel a szinterezési folyamat nem igényli a teljes szerkezet kitételét a kemence hőjének, az új technika ígéretesnek tűnik, hogy ultra{0}}magas hőmérsékletű kerámiabevonatokat vigyünk fel olyan anyagokra, amelyek károsodhatnak a kemencében történő szinterezés következtében” – mondja Xu.
A másodikA mérnökök az új szinterezési technikát az additív gyártást, más néven 3D nyomtatást foglalja magában. Pontosabban, a lézeres szinterezési módszer a sztereolitográfiához hasonló technikával együtt használható.
Ebben a technikában egy lézert egy asztalra szerelnek, amely a folyékony prekurzor fürdőjében ül. A háromdimenziós struktúra létrehozásához a kutatók elkészítik a szerkezet digitális tervét, majd a struktúrát rétegekre vágják. Kezdésként a lézer megrajzolja a szerkezet első rétegének profilját a polimerben, kitöltve a profilt, mintha egy képet színezne. Ahogy a lézer „kitölti” ezt a területet, a hőenergia a folyékony polimert kerámiává alakítja. Az asztal ezután egy kicsit beljebb süllyed a polimer fürdőbe, és egy penge söpör végig a tetején, hogy kiegyenlítse a felületet. A lézer ezután szintereli a szerkezet második rétegét, és ez a folyamat addig ismétlődik, amíg a szinterezett kerámiából készterméket nem kap.
"Tulajdonképpen kissé leegyszerűsítve azt mondani, hogy a lézer azcsaka folyékony prekurzor szinterelése" – mondja Xu. „Pontosabb azt mondani, hogy a lézer először a folyékony polimert alakítja át szilárd polimerré, majd a szilárd polimert kerámiává. Mindez azonban nagyon gyorsan megtörténik – ez lényegében egy-lépéses folyamat."
A koncepciótesztelés-bizonyításaként-a kutatók bebizonyították, hogy a lézeres szinterezési technika kristályos, fázis-tiszta HfC-t állított elő folyékony polimer prekurzorból.
"Ez az első alkalom, hogy tudjuk, hol volt képes valaki ilyen minőségű HfC-t létrehozni folyékony polimer prekurzorból" - mondja Xu. "Az ultra{1}}magas hőmérsékletű kerámiák pedig, ahogy a neve is sugallja, számos olyan alkalmazásban hasznosak, ahol a technológiáknak ellenállniuk kell a szélsőséges hőmérsékleteknek, például az atomenergia-termelésben."
A kutatók azt is bebizonyították, hogy a lézeres szintereléssel kiváló minőségű HfC bevonatokat lehet létrehozni szén-{0}}szálerősítésű szén-kompozitokból (C/C). Alapvetően a kerámia bevonat az alatta lévő szerkezethez tapadt, és nem hámlott le.
"A C/C szubsztrátumokon lévő HfC bevonatok erős tapadást, egyenletes fedést, valamint hővédelemként és oxidációálló rétegként való felhasználást mutattak" - mondja Xu. "Ez különösen hasznos, mert a hiperszonikus alkalmazásokon kívül szén/szén szerkezeteket használnak a rakétafúvókákban, a féktárcsákban és a repülőgépek hővédelmi rendszereiben, például az orrkúpokban és a szárnyak elülső éleiben."
Az új lézeres szinterezési technika több szempontból is lényegesen hatékonyabb a hagyományos szinterezésnél.
"A mi technikánk lehetővé teszi, hogy másodpercek vagy percek alatt ultra{0}}magas hőmérsékletű kerámiaszerkezeteket és bevonatokat hozzunk létre, míg a hagyományos technikákkal órákig vagy napokig tartanak" - mondja Xu. "És mivel a lézeres szinterezés gyorsabb és nagymértékben lokalizált, lényegesen kevesebb energiát használ fel. Sőt, a mi megközelítésünk nagyobb hozamot produkál. Pontosabban, a lézeres szinterezés a prekurzor tömegének legalább 50%-át alakítja kerámiává. A hagyományos megközelítések általában az előanyagnak csak 20-40%-át alakítják át.
"Végül, a mi technikánk viszonylag hordozható" - mondja Xu. "Igen, közömbös környezetben kell megtenni, de a vákuumkamra és az adalékanyag-gyártó berendezések szállítása sokkal egyszerűbb, mint egy erős, nagyméretű kemence szállítása.
"Izgatottak vagyunk a kerámiák terén elért előrelépés miatt, és nyitottak vagyunk a köz- és magánpartnerekkel való együttműködésre annak érdekében, hogy ezt a technológiát a gyakorlati alkalmazásokban is felhasználhassák" - mondja Xu.
A "Hafnium-karbid (HfC) szintézise egy-lépéses szelektív lézerreakciós pirolízissel folyékony polimer prekurzorból" című tanulmány aAz American Ceramic Society folyóirata. A cikk társszerzője Tiegang Fang, az NC State gépészeti és repülőgépmérnöki professzora. A tanulmány első társszerzői Shalini Rajpoot, az NC State posztdoktori kutatója és Kaushik Nonavinakere Vinod, Ph.D. hallgató az NC államban.
A kutatás a charlotte-i Észak-Karolinai Egyetemen működő Advanced Ceramics Additive Manufacture of Advanced Ceramics Központ támogatásával készült.
