Исследователи продемонстрировали новую технику, в которой используются лазеры для создания керамики, способной выдерживать сверх-высокие температуры, и ее применение варьируется от технологий ядерной энергетики до космических кораблей и реактивных выхлопных систем. Этот метод можно использовать для создания керамических покрытий, плиток или сложных трехмерных структур, что позволяет повысить универсальность при разработке новых устройств и технологий.
«Спекание — это процесс, в ходе которого сырье (порошки или жидкости) преобразуется в керамический материал», — говорит Шерил Сюй, со-соавтор статьи об этом исследовании и профессор машиностроения и аэрокосмической техники в Университете штата Северная Каролина. «В этой работе мы сосредоточились на сверх-высокотемпературной керамике, называемой карбидом гафния (HfC). Традиционно спекание HfC требует помещения сырья в печь, температура которой может достигать не менее 2200 градусов Цельсия — процесс,-отнимающий много времени и энергии.
«Наша техника быстрее, проще и требует меньше энергии».
Новая технология работает путем воздействия 120-ваттного лазера на поверхность жидкого предшественника полимера в инертной среде, например, в вакуумной камере или камере, заполненной аргоном. Лазер спекает жидкость, превращая ее в твердую керамику. Это можно использовать двумя разными способами.
Первый,жидкий предшественник можно наносить в качестве покрытия на основную структуру, например, на углеродные композиты, используемые в гиперзвуковых технологиях, таких как ракеты и космические аппараты. Прекурсор можно нанести на поверхность конструкции, а затем спекать лазером.
«Поскольку процесс спекания не требует подвергания всей конструкции воздействию тепла в печи, новый метод обещает позволить нам наносить ультра-высокотемпературные керамические покрытия на материалы, которые могут быть повреждены при спекании в печи», — говорит Сюй.
ВторойЧтобы инженеры могли использовать новую технику спекания, используется аддитивное производство, также известное как 3D-печать. В частности, метод лазерного спекания можно использовать в сочетании с методом, аналогичным стереолитографии.
В этом методе лазер устанавливается на столе, который находится в ванне с жидким прекурсором. Чтобы создать трехмерную-структуру, исследователи создают ее цифровой проект, а затем «разрезают» эту структуру на слои. Для начала лазер рисует профиль первого слоя структуры в полимере, заполняя профиль, как будто раскрашивая картинку. Когда лазер «заполняет» эту область, тепловая энергия превращает жидкий полимер в керамику. Затем стол опускается еще немного глубже в ванну с полимером, и лезвие проходит по верху, чтобы выровнять поверхность. Затем лазер спекает второй слой конструкции, и этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет готово изделие из спеченной керамики.
«На самом деле было бы несколько упрощением сказать, что лазертолькоспекание жидкого предшественника», — говорит Сюй. «Точнее сказать, что лазер сначала преобразует жидкий полимер в твердый полимер, а затем превращает твердый полимер в керамику. Однако все это происходит очень быстро — по сути, это одноэтапный-процесс».
В ходе проверки--концепции исследователи продемонстрировали, что с помощью метода лазерного спекания получается кристаллический,-фазно-чистый HfC из жидкого полимерного предшественника.
«Это первый раз, когда мы знаем, что кто-то смог создать HfC такого качества из жидкого предшественника полимера», — говорит Сюй. «И сверх-высокотемпературная керамика, как следует из названия, полезна для широкого спектра применений, где технологии должны выдерживать экстремальные температуры, например, в производстве ядерной энергии».
Исследователи также продемонстрировали, что лазерное спекание можно использовать для создания высококачественных HfC-покрытий из углеродных-армированных волокном углеродных композитов (C/C). По сути, керамическое покрытие сцепилось с основной структурой и не отслаивалось.
«Покрытия HfC на подложках C/C продемонстрировали сильную адгезию, равномерное покрытие и потенциал для использования в качестве термозащиты и слоя, устойчивого к окислению», — говорит Сюй. «Это особенно полезно, потому что, помимо гиперзвуковых применений, углерод/углеродные конструкции используются в соплах ракет, тормозных дисках и системах тепловой защиты аэрокосмической отрасли, таких как носовые обтекатели и передние кромки крыла».
Новая технология лазерного спекания также значительно более эффективна, чем обычное спекание, по нескольким причинам.
«Наша технология позволяет нам создавать сверхвысокотемпературные керамические структуры и покрытия за секунды или минуты, тогда как традиционные методы занимают часы или дни», — говорит Сюй. «А поскольку лазерное спекание происходит быстрее и очень локализовано, оно потребляет значительно меньше энергии. Более того, наш подход дает более высокий выход. В частности, лазерное спекание преобразует по меньшей мере 50% массы прекурсора в керамику. Обычные подходы обычно преобразуют только 20-40% прекурсора».
«Наконец, наша техника относительно портативна», — говорит Сюй. «Да, это нужно делать в инертной среде, но транспортировать вакуумную камеру и оборудование для аддитивного производства гораздо проще, чем перевозить мощную, крупногабаритную-печь.
«Мы воодушевлены этим достижением в области керамики и открыты для сотрудничества с государственными и частными партнерами для внедрения этой технологии в практическое применение», — говорит Сюй.
Статья «Синтез карбида гафния (HfC) посредством одноэтапного селективного лазерного пиролиза из жидкого полимерного предшественника» опубликована в журналеЖурнал Американского керамического общества. Со-автором, ответственным за переписку статьи, является Тиган Фанг, профессор машиностроения и аэрокосмической техники в штате Северная Каролина. Со-первыми авторами статьи являются Шалини Раджпут, постдокторант из штата Северная Каролина, и Каушик Нонавинакере Винод, доктор философии. студент штата Северная Каролина.
Исследование проводилось при поддержке Центра аддитивного производства современной керамики, расположенного в Университете Северной Каролины в Шарлотте.
