Istraživači su demonstrirali novu tehniku koja koristi lasere za izradu keramike koja može izdržati ultra-visoke temperature, s primjenama koje sežu od tehnologija nuklearne energije do svemirskih letjelica i ispušnih sustava mlaznica. Tehnika se može koristiti za izradu keramičkih premaza, pločica ili složenih tro-dimenzionalnih struktura, što omogućuje veću svestranost pri izradi novih uređaja i tehnologija.
"Sinteriranje je proces kojim se sirovine – bilo u prahu ili tekućini – pretvaraju u keramički materijal", kaže Cheryl Xu, ko-autorica rada o ovom istraživanju i profesorica strojarstva i zrakoplovnog inženjerstva na Državnom sveučilištu Sjeverne Karoline. "Za ovaj smo se rad usredotočili na ultra-keramiku visoke temperature koja se zove hafnijev karbid (HfC). Tradicionalno, sinteriranje HfC-a zahtijeva stavljanje sirovina u peć koja može doseći temperature od najmanje 2200 stupnjeva Celzijusa – proces koji oduzima-vrijeme i energiju.
"Naša tehnika je brža, lakša i zahtijeva manje energije."
Nova tehnika funkcionira primjenom lasera od 120 vata na površinu tekućeg polimernog prekursora u inertnom okruženju, kao što je vakuumska komora ili komora ispunjena argonom. Laser sinterira tekućinu, pretvarajući je u čvrstu keramiku. Ovo se može koristiti na dva različita načina.
Prvi,tekući prekursor može se nanijeti kao premaz na temeljnu strukturu, kao što su ugljični kompoziti koji se koriste u hipersoničnim tehnologijama poput projektila i vozila za istraživanje svemira. Prekursor se može nanijeti na površinu strukture i potom sinterirati laserom.
"Budući da proces sinteriranja ne zahtijeva izlaganje cijele strukture toplini peći, nova tehnika obećava jer nam omogućuje nanošenje keramičkih premaza ultra{0}}na visoke temperature na materijale koji se mogu oštetiti sinteriranjem u peći", kaže Xu.
druginačin na koji inženjeri mogu koristiti novu tehniku sinteriranja uključuje aditivnu proizvodnju, također poznatu kao 3D ispis. Točnije, metoda laserskog sinteriranja može se koristiti u kombinaciji s tehnikom koja je slična stereolitografiji.
U ovoj tehnici, laser je postavljen na stol koji se nalazi u kupki tekućeg prekursora. Kako bi stvorili tro{1}}dimenzionalnu strukturu, istraživači stvaraju digitalni dizajn strukture, a zatim "rezaju" tu strukturu na slojeve. Za početak, laser iscrtava profil prvog sloja strukture u polimeru, ispunjavajući profil kao da boji sliku. Dok laser "ispunjava" ovo područje, toplinska energija pretvara tekući polimer u keramiku. Stol se zatim spušta malo dublje u polimernu kupku, a oštrica prelazi preko vrha kako bi izravnala površinu. Laser tada sinterira drugi sloj strukture i taj se proces ponavlja sve dok ne dobijete gotov proizvod od sinterirane keramike.
"Zapravo je malo pretjerano pojednostavljeno reći da laser jestsamosinteriranje tekućeg prekursora," kaže Xu. "Točnije je reći da laser prvo pretvara tekući polimer u čvrsti polimer, a zatim pretvara čvrsti polimer u keramiku. Međutim, sve se to događa vrlo brzo – to je u biti-proces u jednom koraku."
U dokaznom-testiranju-koncepta, istraživači su pokazali da je tehnika laserskog sinteriranja proizvela kristalni, fazno-čisti HfC iz tekućeg polimernog prekursora.
"Ovo je prvi put da znamo gdje je netko uspio stvoriti HfC ove kvalitete iz tekućeg polimernog prekursora", kaže Xu. "Keramika ultra-visokih temperatura, kao što ime sugerira, korisna je za širok raspon primjena gdje tehnologije moraju izdržati ekstremne temperature, kao što je proizvodnja nuklearne energije."
Istraživači su također pokazali da se lasersko sinteriranje može koristiti za stvaranje visokokvalitetnih HfC premaza ugljičnih-kompozita ojačanih ugljikovim vlaknima (C/C). Uglavnom, keramički premaz zalijepio se za temeljnu strukturu i nije se ljuštio.
"HfC premazi na C/C podlogama pokazali su snažnu adheziju, jednoliku pokrivenost i potencijal za korištenje kao toplinska zaštita i sloj otporan na oksidaciju", kaže Xu. "Ovo je osobito korisno jer se, osim u hipersoničnim primjenama, strukture ugljik/ugljik koriste u raketnim mlaznicama, kočionim diskovima i sustavima toplinske zaštite u zrakoplovstvu kao što su nosni konusi i prednji rubovi krila."
Nova tehnika laserskog sinteriranja također je znatno učinkovitija od konvencionalnog sinteriranja na nekoliko načina.
"Naša tehnika omogućuje nam stvaranje ultra{0}}keramičkih struktura i premaza za sekunde ili minute, dok su konvencionalnim tehnikama potrebni sati ili dani", kaže Xu. "A budući da je lasersko sinteriranje brže i visoko lokalizirano, koristi značajno manje energije. Štoviše, naš pristup proizvodi veći prinos. Točnije, lasersko sinteriranje pretvara najmanje 50% mase prekursora u keramiku. Konvencionalni pristupi obično pretvaraju samo 20-40% prekursora.
"Na kraju, naša tehnika je relativno prenosiva", kaže Xu. "Da, to se mora učiniti u inertnom okruženju, ali transport vakuumske komore i opreme za aditivnu proizvodnju mnogo je lakši od transporta snažne,-velike peći.
"Uzbuđeni smo zbog ovog napretka u keramici i otvoreni smo za suradnju s javnim i privatnim partnerima na prelasku ove tehnologije u praktične primjene", kaže Xu.
Rad "Sinteza hafnijevog karbida (HfC) putem selektivne laserske reakcijske pirolize u jednom- koraku iz prekursora tekućeg polimera" objavljen je uČasopis Američkog keramičkog društva. Su-autor rada je Tiegang Fang, profesor strojarstva i zrakoplovnog inženjerstva na Sveučilištu NC State. Su-prvi autori rada su Shalini Rajpoot, postdoktorandica na NC State, i Kaushik Nonavinakere Vinod, dr.sc. student na NC State.
Istraživanje je provedeno uz potporu Centra za aditivnu proizvodnju napredne keramike, koji se nalazi na Sveučilištu Sjeverne Karoline u Charlotteu.
