Vědci předvedli novou techniku, která využívá lasery k vytváření keramiky, která odolá ultra-vysokým teplotám, s aplikacemi od technologií jaderné energetiky až po kosmické lodě a výfukové systémy trysek. Tuto techniku lze použít k vytváření keramických povlaků, dlaždic nebo složitých trojrozměrných struktur, což umožňuje větší všestrannost při navrhování nových zařízení a technologií.
„Slinování je proces, při kterém se suroviny – prášky nebo kapaliny – přeměňují na keramický materiál,“ říká Cheryl Xu, spoluautorka článku o tomto výzkumu a profesorka mechanického a leteckého inženýrství na Státní univerzitě v Severní Karolíně. „Pro tuto práci jsme se zaměřili na ultra-vysokoteplotní keramiku zvanou karbid hafnia (HfC). Slinování HfC tradičně vyžaduje umístění surovin do pece, která může dosáhnout teploty alespoň 2200 stupňů Celsia – proces, který je časově-náročný a energeticky náročný.
"Naše technika je rychlejší, jednodušší a vyžaduje méně energie."
Nová technika funguje tak, že se 120wattový laser aplikuje na povrch tekutého polymerního prekurzoru v inertním prostředí, jako je vakuová komora nebo komora naplněná argonem. Laser spéká kapalinu a mění ji na pevnou keramiku. To lze použít dvěma různými způsoby.
První,kapalný prekurzor může být aplikován jako povlak na podkladovou strukturu, jako jsou uhlíkové kompozity používané v hypersonických technologiích, jako jsou rakety a vesmírná průzkumná vozidla. Prekurzor lze nanést na povrch struktury a následně sintrovat laserem.
„Protože proces slinování nevyžaduje vystavení celé struktury teplu pece, je nová technika příslibem, protože nám umožňuje aplikovat ultra{0}}vysokoteplotní keramické povlaky na materiály, které mohou být poškozeny slinováním v peci,“ říká Xu.
Druhýzpůsob, jakým mohou inženýři využít novou techniku slinování, zahrnuje aditivní výrobu, známou také jako 3D tisk. Konkrétně lze metodu laserového slinování použít ve spojení s technikou, která je podobná stereolitografii.
V této technice je laser namontován na stůl, který sedí v lázni kapalného prekurzoru. K vytvoření trojrozměrné-struktury vědci vytvoří digitální návrh struktury a poté tuto strukturu „rozdělí“ na vrstvy. Nejprve laser nakreslí profil první vrstvy struktury v polymeru a vyplní profil, jako by vybarvil obrázek. Když laser „vyplní“ tuto oblast, tepelná energie přemění kapalný polymer na keramiku. Stůl se pak spustí o něco dále do polymerové lázně a čepel přejede přes horní část, aby vyrovnala povrch. Laser pak spéká druhou vrstvu struktury a tento proces se opakuje, dokud nemáte hotový výrobek ze slinuté keramiky.
„Je to vlastně trochu přehnané zjednodušení říkat, že laser anopouzeslinování kapalného prekurzoru," říká Xu. "Je přesnější říci, že laser nejprve převede kapalný polymer na pevný polymer a poté převede pevný polymer na keramiku. To vše se však děje velmi rychle – je to v podstatě-proces v jednom kroku.“
V důkazu--testování koncepce vědci prokázali, že technika laserového slinování produkuje krystalický, fázově-čistý HfC z kapalného polymerního prekurzoru.
"Je to poprvé, co víme, kde někdo dokázal vytvořit HfC této kvality z tekutého polymerního prekurzoru," říká Xu. „A ultra-vysokoteplotní keramika, jak název napovídá, je užitečná pro širokou škálu aplikací, kde technologie musí odolávat extrémním teplotám, jako je výroba jaderné energie.“
Výzkumníci také prokázali, že laserové slinování lze použít k vytvoření vysoce kvalitních HfC povlaků uhlíkových-vláknů vyztužených uhlíkových kompozitů (C/C). Keramický povlak se v podstatě spojil s podkladovou strukturou a neodlupoval se.
"HfC povlaky na C/C substrátech prokázaly silnou adhezi, rovnoměrné pokrytí a potenciál pro použití jako tepelná ochrana a vrstva odolná proti oxidaci," říká Xu. "To je zvláště užitečné, protože kromě hypersonických aplikací se uhlíkové/uhlíkové struktury používají v raketových tryskách, brzdových kotoučích a leteckých systémech tepelné ochrany, jako jsou kužely přídě a náběžné hrany křídel."
Nová technika laserového slinování je také v několika ohledech výrazně účinnější než konvenční slinování.
„Naše technika nám umožňuje vytvářet ultra-vysokoteplotní keramické struktury a povlaky během několika sekund nebo minut, zatímco konvenční techniky zaberou hodiny nebo dny,“ říká Xu. "A protože je laserové spékání rychlejší a vysoce lokalizované, spotřebuje podstatně méně energie. A co víc, náš přístup poskytuje vyšší výtěžek. Konkrétně laserové slinování převádí minimálně 50 % hmoty prekurzoru na keramiku. Konvenční přístupy obvykle přeměňují pouze 20–40 % prekurzoru.
"A konečně, naše technika je relativně přenosná," říká Xu. „Ano, musí se to dělat v inertním prostředí, ale přeprava vakuové komory a zařízení na výrobu aditiv je mnohem snazší než přeprava výkonné-rozsáhlé pece.
"Jsme nadšeni tímto pokrokem v keramice a jsme otevřeni spolupráci s veřejnými i soukromými partnery na přechodu této technologie pro použití v praktických aplikacích," říká Xu.
Článek „Synthesis of Hafnium Carbide (HfC) via One-Selective Laser Reaction Pyrolysis from Liquid Polymer Precursor“ je publikován vJournal of the American Ceramic Society. Spolu-korespondentem článku je Tiegang Fang, profesor mechanického a leteckého inženýrství na NC State. Spolu-prvními autory článku jsou Shalini Rajpoot, postdoktorandský výzkumník v NC State, a Kaushik Nonavinakere Vinod, Ph.D. student na NC State.
Výzkum byl proveden s podporou Centra pro aditivní výrobu pokročilé keramiky, které sídlí na University of North Carolina v Charlotte.
