Forskere har demonstrert en ny teknikk som bruker lasere til å lage keramikk som tåler ultra-høye temperaturer, med bruksområder som spenner fra kjernekraftteknologier til romfartøyer og jeteksossystemer. Teknikken kan brukes til å lage keramiske belegg, fliser eller komplekse tre-dimensjonale strukturer, noe som gir økt allsidighet når man konstruerer nye enheter og teknologier.
«Sintring er prosessen der råmaterialer – enten pulver eller væsker – omdannes til et keramisk materiale, sier Cheryl Xu, med-tilsvarende forfatter av en artikkel om denne forskningen og professor i mekanisk og romfartsteknikk ved North Carolina State University. "For dette arbeidet fokuserte vi på en ultra-høytemperaturkeramikk kalt hafniumkarbid (HfC). Tradisjonelt krever sintring av HfC at man plasserer råvarene i en ovn som kan nå temperaturer på minst 2200 grader Celsius – en prosess som er tid-krevende og energikrevende.
"Teknikken vår er raskere, enklere og krever mindre energi."
Den nye teknikken fungerer ved å bruke en 120-watts laser på overflaten av en flytende polymerforløper i et inert miljø, for eksempel et vakuumkammer eller et kammer fylt med argon. Laseren sinter væsken og gjør den til en solid keramikk. Dette kan brukes på to forskjellige måter.
Først,den flytende forløperen kan påføres som et belegg på en underliggende struktur, for eksempel karbonkompositter som brukes i hypersoniske teknologier som missiler og romfartsfartøyer. Forløperen kan påføres overflaten av strukturen og deretter sintres med laseren.
«Fordi sintringsprosessen ikke krever å utsette hele strukturen for varmen fra ovnen, lover den nye teknikken oss for å tillate oss å påføre ultra-høytemperatur keramiske belegg på materialer som kan bli skadet av sintring i en ovn,» sier Xu.
Den andremåten ingeniører kan bruke den nye sintringsteknikken på, innebærer additiv produksjon, også kjent som 3D-utskrift. Spesifikt kan lasersintringsmetoden brukes i forbindelse med en teknikk som ligner stereolitografi.
I denne teknikken er en laser montert på et bord som sitter i et bad av den flytende forløperen. For å lage en tre-dimensjonal struktur lager forskere en digital design av strukturen og "skjærer" den strukturen i lag. Til å begynne med tegner laseren profilen til det første laget av strukturen i polymeren, og fyller profilen inn som om du fargelegger et bilde. Når laseren "fyller ut" dette området, omdanner termisk energi den flytende polymeren til keramikk. Bordet senkes deretter litt lenger ned i polymerbadet, og et blad sveiper over toppen for å jevne ut overflaten. Laseren sinter deretter det andre laget av strukturen, og denne prosessen gjentar seg til du har et ferdig produkt laget av den sintrede keramikken.
«Det er faktisk litt av en overforenkling å si at laseren er detbaresintring av den flytende forløperen," sier Xu. "Det er mer nøyaktig å si at laseren først konverterer den flytende polymeren til en fast polymer og deretter konverterer den faste polymeren til en keramikk. Alt dette skjer imidlertid veldig raskt – det er i hovedsak en ett-trinnsprosess."
Som bevis-på-konsepttesting demonstrerte forskerne at lasersintringsteknikken produserte krystallinsk, fase-ren HfC fra en flytende polymerforløper.
"Dette er første gang vi vet hvor noen var i stand til å lage HfC av denne kvaliteten fra en flytende polymerforløper," sier Xu. "Og keramikk med ultra-høy temperatur, som navnet antyder, er nyttig for et bredt spekter av bruksområder der teknologier må tåle ekstreme temperaturer, for eksempel produksjon av kjernekraft."
Forskerne demonstrerte også at lasersintring kan brukes til å lage høykvalitets HfC-belegg av karbon-fiberforsterkede karbonkompositter (C/C). I utgangspunktet festet det keramiske belegget seg til den underliggende strukturen og flasset ikke bort.
"HfC-belegg på C/C-substrater demonstrerte sterk vedheft, jevn dekning og potensial for bruk som termisk beskyttelse og et oksidasjonsbestandig lag," sier Xu. "Dette er spesielt nyttig fordi, i tillegg til hypersoniske applikasjoner, brukes karbon/karbonstrukturer i rakettdyser, bremseskiver og termiske beskyttelsessystemer for romfart som nesekjegler og vingeforkanter."
Den nye lasersintringsteknikken er også betydelig mer effektiv enn konvensjonell sintring på flere måter.
«Teknikken vår lar oss lage keramiske strukturer og belegg med ultra-høy temperatur på sekunder eller minutter, mens konvensjonelle teknikker tar timer eller dager,» sier Xu. "Og fordi lasersintring er raskere og svært lokalisert, bruker den betydelig mindre energi. Dessuten gir vår tilnærming et høyere utbytte. Spesifikt konverterer lasersintring minst 50 % av forløpermassen til keramikk. Konvensjonelle tilnærminger konverterer vanligvis bare 20–40 % av forløperen.
"Til slutt er teknikken vår relativt bærbar," sier Xu. "Ja, det må gjøres i et inert miljø, men å transportere et vakuumkammer og utstyr for additiv produksjon er mye enklere enn å transportere en kraftig, stor- ovn.
"Vi er begeistret for dette fremskrittet innen keramikk og er åpne for å samarbeide med offentlige og private partnere for å overføre denne teknologien for bruk i praktiske applikasjoner," sier Xu.
Artikkelen, "Synthesis of Hafnium Carbide (HfC) via One-Step Selective Laser Reaction Pyrolysis from Liquid Polymer Precursor," er publisert iJournal of the American Ceramic Society. Med-tilsvarende forfatter av artikkelen er Tiegang Fang, professor i mekanisk og romfartsteknikk ved NC State. Med-førsteforfatterne av artikkelen er Shalini Rajpoot, en postdoktor ved NC State, og Kaushik Nonavinakere Vinod, en Ph.D. student ved NC State.
Forskningen ble gjort med støtte fra Center for Additive Manufacture of Advanced Ceramics, som er basert ved University of North Carolina i Charlotte.
