Istraživači su demonstrirali novu tehniku koja koristi lasere za stvaranje keramike koja može izdržati ultra-visoke temperature, s primjenama u rasponu od tehnologija nuklearne energije do svemirskih letjelica i izduvnih sistema mlaznjaka. Tehnika se može koristiti za stvaranje keramičkih premaza, pločica ili složenih trodimenzionalnih struktura, što omogućava povećanu svestranost pri projektovanju novih uređaja i tehnologija.
"Sinterovanje je proces kojim se sirovine - bilo u prahu ili u tekućini - pretvaraju u keramički materijal", kaže Cheryl Xu, ko-korespondentni autor rada o ovom istraživanju i profesor mehaničkog i svemirskog inženjerstva na Državnom univerzitetu Sjeverne Karoline. "Za ovaj rad fokusirali smo se na ultra-keramiku visoke temperature zvanu hafnij karbid (HfC). Tradicionalno, sinteriranje HfC zahtijeva stavljanje sirovina u peć koja može postići temperaturu od najmanje 2.200 stepeni Celzijusa – proces koji je-zahtjev za vrijeme i energiju.
"Naša tehnika je brža, lakša i zahtijeva manje energije."
Nova tehnika radi primjenom lasera od 120 vati na površinu tekućeg polimernog prekursora u inertnom okruženju, kao što je vakuumska komora ili komora ispunjena argonom. Laser sinteruje tečnost, pretvarajući je u čvrstu keramiku. Ovo se može koristiti na dva različita načina.
prvo,tečni prethodnik se može primijeniti kao premaz na strukturu koja leži ispod, kao što su ugljični kompoziti koji se koriste u hipersoničnim tehnologijama kao što su projektili i vozila za istraživanje svemira. Prekursor se može nanijeti na površinu strukture i zatim sinterirati laserom.
"Budući da proces sinteriranja ne zahtijeva izlaganje cijele strukture toplini peći, nova tehnika obećava jer nam omogućava nanošenje keramičkih premaza na ultra{0}}visokim temperaturama na materijale koji se mogu oštetiti sinteriranjem u peći," kaže Xu.
Druginačin na koji inženjeri mogu da iskoriste novu tehniku sinterovanja uključuje aditivnu proizvodnju, takođe poznatu kao 3D štampa. Konkretno, metoda laserskog sinteriranja može se koristiti u kombinaciji s tehnikom koja je slična stereolitografiji.
U ovoj tehnici, laser se postavlja na sto koji se nalazi u kadi tečnog prekursora. Da bi kreirali trodimenzionalnu strukturu, istraživači kreiraju digitalni dizajn strukture, a zatim tu strukturu "isjeku" na slojeve. Za početak, laser crta profil prvog sloja strukture u polimeru, ispunjavajući profil kao da boji sliku. Kako laser "puni" ovu oblast, toplotna energija pretvara tečni polimer u keramiku. Sto se zatim spušta još malo u polimernu kadu, a oštrica prelazi preko vrha kako bi izjednačila površinu. Laser zatim sinterira drugi sloj strukture, a ovaj proces se ponavlja sve dok ne dobijete gotov proizvod od sinterirane keramike.
„Zapravo je malo pojednostavljeno reći da laser jestesamosinterovanje tečnog prekursora," kaže Xu. "Tačnije je reći da laser prvo pretvara tečni polimer u čvrsti polimer, a zatim pretvara čvrsti polimer u keramiku. Međutim, sve se ovo dešava vrlo brzo – to je u suštini proces u jednom-korak."
U dokaz-o-testiranju koncepta, istraživači su pokazali da je tehnika laserskog sinterovanja proizvela kristalni, fazno-čisti HfC iz tekućeg polimernog prekursora.
"Ovo je prvi put da znamo gdje je neko mogao stvoriti HfC ovog kvaliteta iz tekućeg polimernog prekursora", kaže Xu. "A ultra-keramika visoke temperature, kao što ime govori, korisna je za širok spektar primjena gdje tehnologije moraju izdržati ekstremne temperature, kao što je proizvodnja nuklearne energije."
Istraživači su također pokazali da se lasersko sinteriranje može koristiti za stvaranje visokokvalitetnih HfC premaza od karbonskih-kompozita ojačanih karbonskim vlaknima (C/C). U osnovi, keramički premaz se zalijepio za osnovnu strukturu i nije se ljuštio.
"HfC premazi na C/C podlogama pokazali su snažnu adheziju, ujednačenu pokrivenost i potencijal za upotrebu kao termička zaštita i sloj otporan na oksidaciju", kaže Xu. "Ovo je posebno korisno jer se, pored hipersoničnih primjena, karbonske/ugljične strukture koriste u raketnim mlaznicama, kočionim diskovima i sistemima za termičku zaštitu u svemiru, kao što su nosni konusi i prednje ivice krila."
Nova tehnika laserskog sinterovanja je takođe značajno efikasnija od konvencionalnog sinterovanja na nekoliko načina.
"Naša tehnika nam omogućava da kreiramo ultra{0}}keramičke strukture i premaze na visokoj temperaturi za nekoliko sekundi ili minuta, dok konvencionalne tehnike traju satima ili danima," kaže Xu. "A budući da je lasersko sinteriranje brže i visoko lokalizirano, troši znatno manje energije. Štaviše, naš pristup daje veći prinos. Konkretno, lasersko sinteriranje pretvara najmanje 50% mase prekursora u keramiku. Konvencionalni pristupi obično pretvaraju samo 20-40% prekursora.
"Konačno, naša tehnika je relativno prenosiva", kaže Xu. "Da, to se mora obaviti u inertnom okruženju, ali transport vakuumske komore i opreme za proizvodnju aditiva je mnogo lakši od transporta moćne peći velikih{1}}razmjera.
"Uzbuđeni smo zbog ovog napretka u keramici i otvoreni smo za saradnju s javnim i privatnim partnerima na prelasku ove tehnologije u praktične primjene", kaže Xu.
Rad "Sinteza hafnij karbida (HfC) putem jedno-korakalne selektivne laserske reakcije pirolize iz tekućeg polimernog prekursora" objavljen je uJournal of the American Ceramic Society. Ko-korespondentni autor rada je Tiegang Fang, profesor mašinstva i vazduhoplovstva u NC State. Ko{3}}prvi autori rada su Shalini Rajpoot, postdoktorski istraživač na NC State, i Kaushik Nonavinakere Vinod, dr. student na NC State.
Istraživanje je urađeno uz podršku Centra za aditivnu proizvodnju napredne keramike, koji se nalazi na Univerzitetu Sjeverne Karoline u Charlotteu.
