Οι ερευνητές έχουν επιδείξει μια νέα τεχνική που χρησιμοποιεί λέιζερ για τη δημιουργία κεραμικών που αντέχουν σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, με εφαρμογές που κυμαίνονται από τεχνολογίες πυρηνικής ενέργειας έως διαστημόπλοια και συστήματα εξάτμισης αεριωθουμένων. Η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία κεραμικών επιστρώσεων, πλακιδίων ή πολύπλοκων τρισδιάστατων-κατασκευών, γεγονός που επιτρέπει αυξημένη ευελιξία κατά την κατασκευή νέων συσκευών και τεχνολογιών.
"Η πυροσυσσωμάτωση είναι η διαδικασία με την οποία οι πρώτες ύλες - είτε σκόνες είτε υγρά - μετατρέπονται σε κεραμικό υλικό", λέει η Cheryl Xu, συν-αντίστοιχη συγγραφέας μιας εργασίας σχετικά με αυτήν την έρευνα και καθηγήτρια μηχανολογίας και αεροδιαστημικής μηχανικής στο North Carolina State University. "Για αυτήν την εργασία, εστιάσαμε σε ένα κεραμικό εξαιρετικά{2}}υψηλής θερμοκρασίας που ονομάζεται καρβίδιο του αφνίου (HfC). Παραδοσιακά, η πυροσυσσωμάτωση HfC απαιτεί την τοποθέτηση των πρώτων υλών σε έναν κλίβανο που μπορεί να φτάσει σε θερμοκρασίες τουλάχιστον 2.200 βαθμών Κελσίου – μια διαδικασία που είναι χρονοβόρα{{6} και εντατική.
«Η τεχνική μας είναι πιο γρήγορη, πιο εύκολη και απαιτεί λιγότερη ενέργεια».
Η νέα τεχνική λειτουργεί με την εφαρμογή ενός λέιζερ 120 watt στην επιφάνεια ενός προδρόμου υγρού πολυμερούς σε ένα αδρανές περιβάλλον, όπως ένας θάλαμος κενού ή ένας θάλαμος γεμάτος με αργό. Το λέιζερ πυροσυσσωματώνει το υγρό, μετατρέποντάς το σε στερεό κεραμικό. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί με δύο διαφορετικούς τρόπους.
Πρώτα,ο υγρός πρόδρομος μπορεί να εφαρμοστεί ως επίστρωση σε μια υποκείμενη δομή, όπως σύνθετα υλικά άνθρακα που χρησιμοποιούνται σε υπερηχητικές τεχνολογίες όπως βλήματα και οχήματα εξερεύνησης του διαστήματος. Ο πρόδρομος μπορεί να εφαρμοστεί στην επιφάνεια της κατασκευής και στη συνέχεια να πυροσυσσωματωθεί με το λέιζερ.
"Επειδή η διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης δεν απαιτεί έκθεση ολόκληρης της δομής στη θερμότητα του κλιβάνου, η νέα τεχνική υπόσχεται να μας επιτρέψει να εφαρμόσουμε κεραμικές επιστρώσεις εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας σε υλικά που μπορεί να καταστραφούν από τη σύντηξη σε έναν κλίβανο", λέει ο Xu.
Το δεύτεροΟ τρόπος με τον οποίο οι μηχανικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη νέα τεχνική πυροσυσσωμάτωσης περιλαμβάνει την κατασκευή προσθέτων, γνωστή και ως τρισδιάστατη εκτύπωση. Συγκεκριμένα, η μέθοδος πυροσυσσωμάτωσης με λέιζερ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με τεχνική παρόμοια με τη στερεολιθογραφία.
Σε αυτή την τεχνική, ένα λέιζερ τοποθετείται σε ένα τραπέζι που βρίσκεται σε ένα λουτρό του προδρόμου υγρού. Για να δημιουργήσουν μια τρισδιάστατη-δομή, οι ερευνητές δημιουργούν ένα ψηφιακό σχέδιο της δομής και στη συνέχεια "τεμαχίζουν" αυτήν τη δομή σε στρώματα. Αρχικά, το λέιζερ σχεδιάζει το προφίλ του πρώτου στρώματος της δομής στο πολυμερές, γεμίζοντας το προφίλ σαν να χρωματίζεται σε μια εικόνα. Καθώς το λέιζερ «γεμίζει» αυτή την περιοχή, η θερμική ενέργεια μετατρέπει το υγρό πολυμερές σε κεραμικό. Στη συνέχεια, το τραπέζι χαμηλώνει λίγο περισσότερο μέσα στο λουτρό πολυμερούς και μια λεπίδα σαρώνει στην κορυφή για να εξομαλύνει την επιφάνεια. Στη συνέχεια, το λέιζερ πυροσυσσωματώνει το δεύτερο στρώμα της δομής και αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να έχετε ένα τελικό προϊόν από το πυροσυσσωματωμένο κεραμικό.
«Είναι στην πραγματικότητα λίγο υπεραπλούστευση να πούμε ότι το λέιζερ είναιμόνοπυροσυσσωμάτωση του υγρού πρόδρομου», λέει ο Xu. «Είναι πιο ακριβές να πούμε ότι το λέιζερ πρώτα μετατρέπει το υγρό πολυμερές σε στερεό πολυμερές και μετά μετατρέπει το στερεό πολυμερές σε κεραμικό. Ωστόσο, όλα αυτά συμβαίνουν πολύ γρήγορα – είναι ουσιαστικά μια διαδικασία ενός-βήματος."
Σε απόδειξη-των-δοκιμών, οι ερευνητές απέδειξαν ότι η τεχνική πυροσυσσωμάτωσης με λέιζερ παρήγαγε κρυσταλλική, φάση-καθαρή HfC από έναν πρόδρομο υγρού πολυμερούς.
«Είναι η πρώτη φορά που γνωρίζουμε πού κάποιος μπόρεσε να δημιουργήσει HfC αυτής της ποιότητας από έναν πρόδρομο υγρού πολυμερούς», λέει ο Xu. "Και τα κεραμικά εξαιρετικά{1}}υψηλής θερμοκρασίας, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι χρήσιμα για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών όπου οι τεχνολογίες πρέπει να αντέχουν σε ακραίες θερμοκρασίες, όπως η παραγωγή πυρηνικής ενέργειας."
Οι ερευνητές απέδειξαν επίσης ότι η πυροσυσσωμάτωση με λέιζερ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία επικαλύψεων υψηλής ποιότητας HfC από σύνθετα υλικά άνθρακα- ενισχυμένα με ίνες άνθρακα (C/C). Βασικά, η κεραμική επίστρωση κόλλησε στην υποκείμενη δομή και δεν ξεφλούδισε.
"Οι επικαλύψεις HfC σε υποστρώματα C/C έδειξαν ισχυρή πρόσφυση, ομοιόμορφη κάλυψη και δυνατότητα χρήσης ως θερμική προστασία και ένα στρώμα ανθεκτικό στην οξείδωση", λέει ο Xu. "Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο επειδή, εκτός από τις υπερηχητικές εφαρμογές, οι δομές άνθρακα/άνθρακα χρησιμοποιούνται σε ακροφύσια πυραύλων, δίσκους φρένων και συστήματα θερμικής προστασίας της αεροδιαστημικής, όπως οι κώνοι μύτης και τα μπροστινά άκρα φτερών."
Η νέα τεχνική πυροσυσσωμάτωσης με λέιζερ είναι επίσης σημαντικά πιο αποτελεσματική από τη συμβατική πυροσυσσωμάτωση με διάφορους τρόπους.
"Η τεχνική μας μας επιτρέπει να δημιουργούμε κεραμικές δομές και επιστρώσεις εξαιρετικά{0}}υψηλής θερμοκρασίας σε δευτερόλεπτα ή λεπτά, ενώ οι συμβατικές τεχνικές χρειάζονται ώρες ή ημέρες", λέει ο Xu. "Και επειδή η πυροσυσσωμάτωση με λέιζερ είναι ταχύτερη και πολύ εντοπισμένη, καταναλώνει σημαντικά λιγότερη ενέργεια. Επιπλέον, η προσέγγισή μας παράγει υψηλότερη απόδοση. Συγκεκριμένα, η πυροσυσσωμάτωση με λέιζερ μετατρέπει τουλάχιστον το 50% της μάζας πρόδρομου υλικού σε κεραμικό. Οι συμβατικές προσεγγίσεις μετατρέπουν συνήθως μόνο το 20-40% του προδρόμου.
«Τελευταία, η τεχνική μας είναι σχετικά φορητή», λέει ο Xu. "Ναι, πρέπει να γίνει σε αδρανές περιβάλλον, αλλά η μεταφορά ενός θαλάμου κενού και του εξοπλισμού κατασκευής προσθέτων είναι πολύ πιο εύκολη από τη μεταφορά ενός ισχυρού,-κλιβάνου μεγάλης κλίμακας.
«Είμαστε ενθουσιασμένοι με αυτή την πρόοδο στην κεραμική και είμαστε ανοιχτοί στη συνεργασία με δημόσιους και ιδιωτικούς εταίρους για τη μετάβαση αυτής της τεχνολογίας για χρήση σε πρακτικές εφαρμογές», λέει ο Xu.
Η εργασία, "Synthesis of Hafnium Carbide (HfC) via One{0}}Step Selective Laser Reaction Pyrolysis from Liquid Polymer Precursor," δημοσιεύεται στοΕφημερίδα της Αμερικανικής Κεραμικής Εταιρείας. Συν-αντίστοιχος συγγραφέας της εργασίας είναι ο Tiegang Fang, καθηγητής μηχανολογίας και αεροδιαστημικής μηχανικής στο NC State. Συν-πρώτοι συγγραφείς της εργασίας είναι η Shalini Rajpoot, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο NC State, και ο Kaushik Nonavinakere Vinod, Ph.D. φοιτητής στο NC State.
Η έρευνα έγινε με την υποστήριξη του Κέντρου Προσθετικής Κατασκευής Προηγμένων Κεραμικών, το οποίο εδρεύει στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Charlotte.
