Các nhà nghiên cứu đã trình diễn một kỹ thuật mới sử dụng tia laser để tạo ra đồ gốm có thể chịu được nhiệt độ cực cao, với nhiều ứng dụng từ công nghệ năng lượng hạt nhân đến tàu vũ trụ và hệ thống xả khí phản lực. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để tạo ra lớp phủ gốm, gạch lát hoặc các cấu trúc ba chiều phức tạp-, cho phép tăng tính linh hoạt khi chế tạo các thiết bị và công nghệ mới.
Cheryl Xu, đồng tác giả của một bài báo về nghiên cứu này và là giáo sư về kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại Đại học bang North Carolina, cho biết: "Thiêu kết là quá trình trong đó nguyên liệu thô – dạng bột hoặc chất lỏng – được chuyển đổi thành vật liệu gốm”. "Đối với công việc này, chúng tôi tập trung vào một loại gốm có nhiệt độ cực cao được gọi là hafnium cacbua (HfC). Theo truyền thống, quá trình thiêu kết HfC yêu cầu đặt nguyên liệu thô vào lò nung có thể đạt tới nhiệt độ ít nhất 2.200 độ C – một quá trình tốn nhiều thời gian{6} và năng lượng.
"Kỹ thuật của chúng tôi nhanh hơn, dễ dàng hơn và đòi hỏi ít năng lượng hơn."
Kỹ thuật mới hoạt động bằng cách chiếu tia laser 120 watt lên bề mặt tiền chất polymer lỏng trong môi trường trơ, chẳng hạn như buồng chân không hoặc buồng chứa đầy argon. Tia laser thiêu kết chất lỏng, biến nó thành gốm rắn. Điều này có thể được sử dụng theo hai cách khác nhau.
Đầu tiên,tiền chất lỏng có thể được sử dụng làm lớp phủ cho cấu trúc bên dưới, chẳng hạn như vật liệu tổng hợp carbon được sử dụng trong các công nghệ siêu thanh như tên lửa và phương tiện thám hiểm không gian. Tiền chất có thể được phủ lên bề mặt của cấu trúc và sau đó thiêu kết bằng tia laser.
Xu cho biết: "Vì quá trình thiêu kết không yêu cầu toàn bộ cấu trúc tiếp xúc với nhiệt của lò nên kỹ thuật mới hứa hẹn cho phép chúng tôi áp dụng lớp phủ gốm nhiệt độ cực cao cho các vật liệu có thể bị hư hỏng do thiêu kết trong lò".
thứ haicách mà các kỹ sư có thể sử dụng kỹ thuật thiêu kết mới liên quan đến sản xuất bồi đắp, còn được gọi là in 3D. Cụ thể, phương pháp thiêu kết bằng laser có thể được sử dụng kết hợp với một kỹ thuật tương tự như in li-tô lập thể.
Trong kỹ thuật này, tia laser được gắn trên một chiếc bàn đặt trong bồn chứa tiền chất lỏng. Để tạo cấu trúc ba chiều,{1}}các nhà nghiên cứu tạo ra thiết kế kỹ thuật số của cấu trúc và sau đó "cắt" cấu trúc đó thành các lớp. Để bắt đầu, tia laser vẽ đường biên dạng của lớp đầu tiên của cấu trúc trong polyme, điền vào đường biên dạng đó như thể tô màu trong một bức tranh. Khi tia laser “lấp đầy” khu vực này, năng lượng nhiệt sẽ chuyển đổi polyme lỏng thành gốm. Sau đó, chiếc bàn sẽ hạ thấp hơn một chút vào bồn tắm polymer và một lưỡi dao sẽ quét qua phía trên để làm phẳng bề mặt. Sau đó, tia laser sẽ thiêu kết lớp thứ hai của cấu trúc và quá trình này lặp lại cho đến khi bạn có thành phẩm làm từ gốm thiêu kết.
“Thực ra có hơi đơn giản hóa quá mức khi nói rằng tia laser làchỉ mộtXu nói: "Chính xác hơn khi nói rằng tia laser trước tiên chuyển đổi polyme lỏng thành polyme rắn và sau đó chuyển đổi polyme rắn thành gốm. Tuy nhiên, tất cả những điều này diễn ra rất nhanh chóng – về cơ bản đó là quy trình một-bước."
Trong bằng chứng-về thử nghiệm khái niệm{1}}, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng kỹ thuật thiêu kết bằng laser tạo ra HfC tinh khiết, pha-tinh khiết từ tiền chất polyme lỏng.
Xu nói: “Đây là lần đầu tiên chúng tôi biết ai đó có thể tạo ra HfC có chất lượng như thế này từ tiền chất polymer lỏng”. "Và gốm sứ nhiệt độ cực cao, như tên gọi cho thấy, rất hữu ích cho nhiều ứng dụng trong đó công nghệ phải chịu được nhiệt độ khắc nghiệt, chẳng hạn như sản xuất năng lượng hạt nhân."
Các nhà nghiên cứu cũng chứng minh rằng quá trình thiêu kết bằng laser có thể được sử dụng để tạo ra lớp phủ HfC chất lượng cao của vật liệu tổng hợp cacbon được gia cố bằng sợi cacbon (C/C). Về cơ bản, lớp phủ gốm liên kết với cấu trúc bên dưới và không bị bong tróc.
Xu cho biết: “Lớp phủ HfC trên nền C/C thể hiện độ bám dính mạnh, độ phủ đồng đều và có tiềm năng sử dụng làm lớp bảo vệ nhiệt và lớp chống oxy hóa”. “Điều này đặc biệt hữu ích vì ngoài các ứng dụng siêu âm, cấu trúc cacbon/cacbon còn được sử dụng trong vòi phun tên lửa, đĩa phanh và hệ thống bảo vệ nhiệt hàng không vũ trụ như nón mũi và mép đầu cánh.”
Kỹ thuật thiêu kết bằng laser mới cũng hiệu quả hơn đáng kể so với kỹ thuật thiêu kết thông thường về một số mặt.
Xu cho biết: "Kỹ thuật của chúng tôi cho phép chúng tôi tạo ra các cấu trúc và lớp phủ gốm ở nhiệt độ cực cao trong vài giây hoặc vài phút, trong khi các kỹ thuật thông thường phải mất hàng giờ hoặc nhiều ngày". "Và bởi vì quá trình thiêu kết bằng laser diễn ra nhanh hơn và có tính định vị cao nên nó sử dụng ít năng lượng hơn đáng kể. Hơn nữa, phương pháp của chúng tôi tạo ra năng suất cao hơn. Cụ thể, quá trình thiêu kết bằng laser chuyển đổi ít nhất 50% khối lượng tiền chất thành gốm. Các phương pháp thông thường thường chỉ chuyển đổi 20-40% tiền chất.
Xu nói: “Cuối cùng, kỹ thuật của chúng tôi tương đối linh hoạt. "Đúng, việc này phải được thực hiện trong môi trường trơ, nhưng việc vận chuyển buồng chân không và thiết bị sản xuất bồi đắp dễ dàng hơn nhiều so với việc vận chuyển một lò nung quy mô lớn,-mạnh mẽ.
Xu cho biết: “Chúng tôi rất vui mừng về tiến bộ này trong gốm sứ và sẵn sàng hợp tác với các đối tác nhà nước và tư nhân để chuyển đổi công nghệ này sang sử dụng trong các ứng dụng thực tế”.
Bài báo "Tổng hợp Hafnium cacbua (HfC) thông qua quá trình nhiệt phân phản ứng laser chọn lọc một bước-từ tiền chất polyme lỏng" được xuất bản trên tạp chíTạp chí của Hiệp hội Gốm sứ Hoa Kỳ. Đồng-tác giả tương ứng của bài báo là Tiegang Fang, giáo sư về kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại NC State. Đồng-đồng tác giả đầu tiên của bài báo là Shalini Rajpoot, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Bang NC và Kaushik Nonavinakere Vinod, một tiến sĩ. sinh viên tại bang NC.
Nghiên cứu được thực hiện với sự hỗ trợ của Trung tâm Sản xuất Phụ gia Gốm sứ Cao cấp, có trụ sở tại Đại học Bắc Carolina ở Charlotte.
