Forskere har demonstreret en ny teknik, der bruger lasere til at skabe keramik, der kan modstå ultra-høje temperaturer, med anvendelser lige fra atomkraftteknologier til rumfartøjer og jetudstødningssystemer. Teknikken kan bruges til at skabe keramiske belægninger, fliser eller komplekse tre-dimensionelle strukturer, hvilket giver mulighed for øget alsidighed, når der udvikles nye enheder og teknologier.
"Sintring er den proces, hvorved råmaterialer - enten pulvere eller væsker - omdannes til et keramisk materiale," siger Cheryl Xu, med-tilsvarende forfatter til et papir om denne forskning og professor i mekanisk og rumfartsteknik ved North Carolina State University. "Til dette arbejde fokuserede vi på en ultra-højtemperaturkeramik kaldet hafniumcarbid (HfC). Traditionelt kræver sintring af HfC, at råmaterialerne placeres i en ovn, der kan nå temperaturer på mindst 2.200 grader Celsius – en proces, der er tids-krævende og energikrævende.
"Vores teknik er hurtigere, nemmere og kræver mindre energi."
Den nye teknik virker ved at påføre en 120-watt laser på overfladen af en flydende polymerprecursor i et inert miljø, såsom et vakuumkammer eller et kammer fyldt med argon. Laseren sinter væsken og forvandler den til en solid keramik. Dette kan bruges på to forskellige måder.
Først,den flydende precursor kan påføres som en belægning på en underliggende struktur, såsom kulstofkompositter, der anvendes i hypersoniske teknologier som missiler og rumfartsfartøjer. Precursoren kan påføres overfladen af strukturen og derefter sintres med laseren.
"Fordi sintringsprocessen ikke kræver, at hele strukturen udsættes for ovnens varme, lover den nye teknik et løfte om, at vi kan påføre keramiske belægninger med ultra-høj temperatur på materialer, der kan blive beskadiget ved sintring i en ovn," siger Xu.
Den andenmåden, hvorpå ingeniører kan gøre brug af den nye sintringsteknik, involverer additiv fremstilling, også kendt som 3D-print. Specifikt kan lasersintringsmetoden bruges sammen med en teknik, der ligner stereolitografi.
I denne teknik er en laser monteret på et bord, der sidder i et bad af den flydende precursor. For at skabe en tre-dimensionel struktur skaber forskere et digitalt design af strukturen og "skærer" derefter strukturen i lag. Til at begynde med tegner laseren profilen af det første lag af strukturen i polymeren og udfylder profilen, som om den farvede et billede. Når laseren "udfylder" dette område, omdanner termisk energi den flydende polymer til keramik. Bordet sænkes derefter en lille smule længere ned i polymerbadet, og et blad fejer hen over toppen for at udjævne overfladen. Laseren sinter derefter det andet lag af strukturen, og denne proces gentager sig, indtil du har et færdigt produkt lavet af den sintrede keramik.
”Det er faktisk lidt af en overforenkling at sige, at laseren er detkunsintring af den flydende precursor," siger Xu. "Det er mere nøjagtigt at sige, at laseren først omdanner den flydende polymer til en fast polymer og derefter omdanner den faste polymer til en keramik. Men alt dette sker meget hurtigt – det er i bund og grund en proces i ét-trin."
Som bevis for--koncepttestning demonstrerede forskerne, at lasersintringsteknikken producerede krystallinsk, fase-ren HfC fra en flydende polymerprecursor.
"Det er første gang, vi ved, hvor nogen var i stand til at skabe HfC af denne kvalitet ud fra en flydende polymerprecursor," siger Xu. "Og keramik med ultra-høj temperatur, som navnet antyder, er nyttig til en lang række applikationer, hvor teknologier skal modstå ekstreme temperaturer, såsom produktion af atomenergi."
Forskerne demonstrerede også, at lasersintring kunne bruges til at skabe højkvalitets HfC-belægninger af kulstof-fiberforstærkede kulstofkompositter (C/C). Grundlæggende klæbet den keramiske belægning til den underliggende struktur og skallede ikke væk.
"HfC-belægningerne på C/C-substrater demonstrerede stærk vedhæftning, ensartet dækning og potentiale til brug som termisk beskyttelse og et oxidationsbestandigt lag," siger Xu. "Dette er særligt nyttigt, fordi der ud over hypersoniske applikationer bruges kulstof/kulstof-strukturer i raketdyser, bremseskiver og termiske beskyttelsessystemer til rumfart, såsom næsekegler og vingeforkanter."
Den nye lasersintringsteknik er også væsentligt mere effektiv end konventionel sintring på flere måder.
"Vores teknik giver os mulighed for at skabe keramiske strukturer og belægninger med ultra-høj temperatur på få sekunder eller minutter, hvorimod konventionelle teknikker tager timer eller dage," siger Xu. "Og fordi lasersintring er hurtigere og meget lokaliseret, bruger den betydeligt mindre energi. Desuden giver vores tilgang et højere udbytte. Specifikt omdanner lasersintring mindst 50 % af forstadiemassen til keramik. Konventionelle fremgangsmåder omdanner typisk kun 20-40 % af forstadiet.
"Sidst er vores teknik relativt bærbar," siger Xu. "Ja, det skal gøres i et inaktivt miljø, men at transportere et vakuumkammer og additivt produktionsudstyr er meget nemmere end at transportere en kraftig, stor- ovn.
"Vi er begejstrede for dette fremskridt inden for keramik og er åbne for at arbejde med offentlige og private partnere for at omdanne denne teknologi til brug i praktiske applikationer," siger Xu.
Artiklen, "Synthesis of Hafnium Carbide (HfC) via One-Step Selective Laser Reaction Pyrolysis from Liquid Polymer Precursor," er udgivet iJournal of American Ceramic Society. Med-tilsvarende forfatter til papiret er Tiegang Fang, professor i mekanisk og rumfartsteknik ved NC State. Co-førsteforfattere af artiklen er Shalini Rajpoot, en postdoc-forsker ved NC State, og Kaushik Nonavinakere Vinod, en Ph.D. studerende ved NC State.
Forskningen blev udført med støtte fra Center for Additive Manufacture of Advanced Ceramics, som er baseret på University of North Carolina i Charlotte.
