Teadlased on demonstreerinud uut tehnikat, mis kasutab lasereid ülikõrgeid temperatuure taluva keraamika loomiseks, mille rakendused ulatuvad tuumaenergiatehnoloogiatest kosmoselaevade ja reaktiivlennukite väljalaskesüsteemideni. Seda tehnikat saab kasutada keraamiliste kattekihtide, plaatide või keerukate kolmemõõtmeliste konstruktsioonide loomiseks, mis võimaldab uute seadmete ja tehnoloogiate projekteerimisel suurendada mitmekülgsust.
„Paagutamine on protsess, mille käigus toorained – kas pulbrid või vedelikud – muudetakse keraamiliseks materjaliks,” ütleb Cheryl Xu, selle uurimistöö kaasautor ja Põhja-Carolina osariigi ülikooli mehaanika- ja kosmosetehnika professor. "Selle töö jaoks keskendusime ülikõrge temperatuuriga keraamikale, mida nimetatakse hafniumkarbiidiks (HfC). Traditsiooniliselt nõuab HfC paagutamiseks tooraine asetamist ahju, mille temperatuur võib ulatuda vähemalt 2200 kraadini Celsiuse järgi – protsess, mis on aega{6}}- ja energiamahukas.
"Meie tehnika on kiirem, lihtsam ja nõuab vähem energiat."
Uus tehnika töötab 120-vatise laseri rakendamisel vedela polümeeri lähteaine pinnale inertses keskkonnas, näiteks vaakumkambris või argooniga täidetud kambris. Laser paagutab vedeliku, muutes selle tahkeks keraamikaks. Seda saab kasutada kahel erineval viisil.
Esiteksvedelat lähteainet saab rakendada kattekihina alusstruktuurile, näiteks süsinikkomposiitidele, mida kasutatakse hüperhelitehnoloogiates, nagu raketid ja kosmoseuuringute sõidukid. Eelkäijat saab kanda konstruktsiooni pinnale ja seejärel laseriga paagutada.
"Kuna paagutamisprotsess ei nõua kogu konstruktsiooni kokkupuudet ahju kuumusega, on uus tehnika paljutõotav, kuna see võimaldab meil kanda ülikõrge temperatuuriga keraamilisi katteid materjalidele, mida ahjus paagutamine võib kahjustada," ütleb Xu.
Teineviis, kuidas insenerid saavad uut paagutamistehnikat kasutada, hõlmab lisaainete tootmist, mida tuntakse ka kui 3D-printimist. Täpsemalt saab laserpaagutamise meetodit kasutada koos stereolitograafiaga sarnase tehnikaga.
Selle tehnika puhul paigaldatakse laser lauale, mis asub vedela lähteaine vannis. Kolmemõõtmelise struktuuri loomiseks loovad teadlased struktuuri digitaalse kujunduse ja seejärel "tükeldavad" selle struktuuri kihtideks. Alustuseks joonistab laser polümeeri struktuuri esimese kihi profiili, täites profiili justkui värvides pildil. Kuna laser selle ala "täidab", muudab soojusenergia vedela polümeeri keraamikaks. Seejärel langeb laud veidi kaugemale polümeervanni ja tera pühib üle selle pinna ühtlustamiseks. Seejärel paagutab laser konstruktsiooni teise kihi ja see protsess kordub, kuni teil on paagutatud keraamikast valmistatud valmistoode.
"Tegelikult on natuke liialdatud öelda, et laser onainultvedela lähteaine paagutamine," ütleb Xu. "Täpsem on öelda, et laser muundab esmalt vedela polümeeri tahkeks polümeeriks ja seejärel tahke polümeeri keraamikaks. Kuid see kõik toimub väga kiiresti – see on sisuliselt ühe-etapiline protsess."
Kontseptsioonitestide-tõestuseks- näitasid teadlased, et laserpaagutamistehnika tootis vedelast polümeeri lähteainest kristallilise faasi{2}}puhta HfC.
"See on esimene kord, kui me teame, kus keegi suutis vedela polümeeri lähteainest sellise kvaliteediga HfC luua, " ütleb Xu. "Ja ülikõrge temperatuuriga keraamika, nagu nimigi ütleb, on kasulik paljudes rakendustes, kus tehnoloogiad peavad taluma äärmuslikke temperatuure, näiteks tuumaenergia tootmine."
Teadlased näitasid ka, et laserpaagutamist saab kasutada süsinik{0}}kiuga tugevdatud süsinikkomposiitide (C/C) kvaliteetsete HfC-katete loomiseks. Põhimõtteliselt seostus keraamiline kate alusstruktuuriga ega koorunud ära.
"C/C substraatide HfC-katted näitasid tugevat adhesiooni, ühtlast katvust ja potentsiaali kasutada termilise kaitse ja oksüdatsioonikindla kihina, " ütleb Xu. "See on eriti kasulik, kuna lisaks hüperhelirakendustele kasutatakse süsiniku/süsiniku struktuure raketipihustites, piduriketastes ja kosmosesõidukite termokaitsesüsteemides, nagu ninakoonused ja tiibade esiservad."
Uus laserpaagutamise tehnika on ka mitmel viisil oluliselt tõhusam kui tavaline paagutamine.
"Meie tehnika võimaldab meil luua üli{0}}kõrge temperatuuriga keraamilisi struktuure ja katteid sekundite või minutitega, samas kui tavapäraste tehnikate jaoks kulub tunde või päevi," ütleb Xu. "Ja kuna laserpaagutamine on kiirem ja väga lokaliseeritud, kasutab see oluliselt vähem energiat. Veelgi enam, meie lähenemisviis annab suurema saagise. Täpsemalt, laserpaagutamine muudab vähemalt 50% lähteaine massist keraamikaks. Tavapärased lähenemisviisid muudavad tavaliselt ainult 20–40% lähteainest.
"Lõpuks on meie tehnika suhteliselt kaasaskantav, " ütleb Xu. "Jah, seda tuleb teha inertses keskkonnas, kuid vaakumkambri ja lisandite valmistamise seadmete transportimine on palju lihtsam kui võimsa suure{1}}ahju transportimine.
"Oleme selle keraamika edusammu üle põnevil ja oleme avatud koostööle avaliku ja erasektori partneritega, et viia see tehnoloogia üle praktilistes rakendustes kasutamiseks," ütleb Xu.
Paber "Hafniumkarbiidi (HfC) süntees vedela polümeeri lähteaine ühe-astmelise selektiivse laserreaktsiooni pürolüüsi abil" on avaldatudAmeerika keraamikaühingu ajakiri. Artikli kaas-autor on Tiegang Fang, NC osariigi mehaanika- ja kosmosetehnika professor. Selle artikli kaasautorid on Shalini Rajpoot, NC State'i järeldoktor ja Kaushik Nonavinakere Vinod, Ph.D. üliõpilane NC osariigis.
Uuring viidi läbi Charlotte'i Põhja-Carolina ülikoolis asuva täiustatud keraamika lisandite tootmise keskuse toetusel.
