Forskare har demonstrerat en ny teknik som använder lasrar för att skapa keramik som tål ultra-höga temperaturer, med tillämpningar som sträcker sig från kärnkraftsteknik till rymdfarkoster och jetavgassystem. Tekniken kan användas för att skapa keramiska beläggningar, kakel eller komplexa tre-dimensionella strukturer, vilket möjliggör ökad mångsidighet vid konstruktion av nya enheter och tekniker.
"Sintring är den process genom vilken råmaterial – antingen pulver eller vätskor – omvandlas till ett keramiskt material", säger Cheryl Xu,-medförfattare till en artikel om denna forskning och professor i mekanisk och rymdteknik vid North Carolina State University. "För detta arbete fokuserade vi på en ultra-högtemperaturkeramik som kallas hafniumkarbid (HfC). Traditionellt kräver sintring av HfC att man placerar råvarorna i en ugn som kan nå temperaturer på minst 2 200 grader Celsius – en process som är tidskrävande-och energikrävande.
"Vår teknik är snabbare, enklare och kräver mindre energi."
Den nya tekniken fungerar genom att applicera en 120-watts laser på ytan av en flytande polymerprekursor i en inert miljö, såsom en vakuumkammare eller en kammare fylld med argon. Lasern sinter vätskan och förvandlar den till en fast keramik. Detta kan användas på två olika sätt.
Första,den flytande prekursorn kan appliceras som en beläggning på en underliggande struktur, såsom kolkompositer som används i hypersoniska teknologier som missiler och rymdfarkoster. Prekursorn kan appliceras på strukturens yta och sedan sintras med lasern.
"Eftersom sintringsprocessen inte kräver att hela strukturen utsätts för värmen från ugnen, lovar den nya tekniken att vi kan applicera keramiska beläggningar med ultra-hög temperatur på material som kan skadas av sintring i en ugn", säger Xu.
Den andrasättet som ingenjörer kan använda sig av den nya sintringstekniken involverar additiv tillverkning, även känd som 3D-utskrift. Specifikt kan lasersintringsmetoden användas tillsammans med en teknik som liknar stereolitografi.
I denna teknik är en laser monterad på ett bord som sitter i ett bad av den flytande prekursorn. För att skapa en tre-dimensionell struktur skapar forskare en digital design av strukturen och "skär" sedan upp strukturen i lager. Till att börja med ritar lasern profilen av det första lagret av strukturen i polymeren och fyller profilen som om den färgade en bild. När lasern "fyller i" detta område omvandlar termisk energi den flytande polymeren till keramik. Bordet sänks sedan lite längre ner i polymerbadet och ett blad sveper över toppen för att jämna ut ytan. Lasern sinter sedan det andra lagret av strukturen, och denna process upprepar sig tills du har en färdig produkt gjord av den sintrade keramiken.
"Det är faktiskt lite av en förenkling att säga att lasern är detendastsintring av den flytande prekursorn," säger Xu. "Det är mer korrekt att säga att lasern först omvandlar den flytande polymeren till en fast polymer och sedan omvandlar den fasta polymeren till en keram. Men allt detta sker väldigt snabbt – det är i princip en process i ett-steg."
Som bevis på--koncepttestning visade forskarna att lasersintringstekniken producerade kristallint, fas-rent HfC från en flytande polymerprekursor.
"Det här är första gången vi vet var någon kunde skapa HfC av denna kvalitet från en flytande polymerprekursor", säger Xu. "Och keramik med ultra-hög temperatur, som namnet antyder, är användbar för ett brett spektrum av applikationer där teknologier måste tåla extrema temperaturer, till exempel kärnenergiproduktion."
Forskarna visade också att lasersintring kunde användas för att skapa högkvalitativa HfC-beläggningar av kol-fiberförstärkta kolkompositer (C/C). I grund och botten fäste den keramiska beläggningen till den underliggande strukturen och lossnade inte.
"HfC-beläggningarna på C/C-substrat visade stark vidhäftning, enhetlig täckning och potential för användning som termiskt skydd och ett oxidationsbeständigt lager", säger Xu. "Detta är särskilt användbart eftersom, förutom hypersoniska applikationer, kol-/kolstrukturer används i raketmunstycken, bromsskivor och termiska skyddssystem för flyg- och rymdfart såsom noskoner och vingkanter."
Den nya lasersintringstekniken är också betydligt effektivare än konventionell sintring på flera sätt.
"Vår teknik gör att vi kan skapa keramiska strukturer och beläggningar med ultra-hög temperatur på några sekunder eller minuter, medan konventionella tekniker tar timmar eller dagar", säger Xu. "Och eftersom lasersintring är snabbare och mycket lokaliserad, använder den betydligt mindre energi. Dessutom producerar vårt tillvägagångssätt ett högre utbyte. Närmare bestämt omvandlar lasersintring minst 50 % av prekursormassan till keramik. Konventionella metoder omvandlar vanligtvis bara 20-40 % av prekursorn.
"Sistligen är vår teknik relativt portabel", säger Xu. "Ja, det måste göras i en inert miljö, men att transportera en vakuumkammare och utrustning för additiv tillverkning är mycket lättare än att transportera en kraftfull, storskalig ugn.-
"Vi är glada över detta framsteg inom keramik och är öppna för att arbeta med offentliga och privata partners för att överföra denna teknik för användning i praktiska tillämpningar", säger Xu.
Uppsatsen "Synthesis of Hafnium Carbide (HfC) via One-Step Selective Laser Reaction Pyrolysis from Liquid Polymer Precursor" publiceras iJournal of the American Ceramic Society. Med-motsvarande författare till artikeln är Tiegang Fang, professor i mekanisk och rymdteknik vid NC State. Med-författarna till artikeln är Shalini Rajpoot, en postdoktor vid NC State, och Kaushik Nonavinakere Vinod, en Ph.D. student vid NC State.
Forskningen gjordes med stöd från Center for Additive Manufacture of Advanced Ceramics, som är baserat vid University of North Carolina i Charlotte.
