أحدث كربيد البورون طفرة ثورية

التلبيد بالبلازما الشرارية لكربيد البورون: طفرة ثورية في "التكنولوجيا السوداء" في التلبيد التقليدي.
في مجال علم المواد،كربيد البورون (B4C)يُعرف كربيد البورون باسم "الماس الأسود" نظرًا لصلابته العالية، وكثافته المنخفضة، ومقاومته للتآكل، وقدرته على امتصاص النيوترونات، ويُستخدم على نطاق واسع في مجالات متطورة مثل الدروع الواقية من الرصاص، والصناعات النووية، والفضاء. مع ذلك، تواجه عمليات التلبيد التقليدية (مثل التلبيد بدون ضغط والتلبيد بالضغط الساخن) تحدياتٍ كارتفاع درجات حرارة التلبيد، وطول مدة التلبيد، وسهولة تضخم الحبيبات، مما يحد من إمكانية تحسين أداء كربيد البورون. في السنوات الأخيرة، أصبحت تقنية التلبيد بالبلازما الشرارية (SPS)، بفضل انخفاض درجة حرارتها وسرعتها وكفاءتها العالية، مجالًا بحثيًا هامًا لكربيد البورون، مما أعاد تشكيل حدود استخدام هذه المادة فائقة الصلابة.

أولاً: تقنية SPS: نموذج جديد ثوري للتلبيد

تُحقق تقنية SPS تكثيفًا سريعًا لكربيد البورون من خلال التأثير التآزري للتيار النبضي والضغط الميكانيكي والمجال الحراري. ويكمن مبدأها الأساسي في:

تنشيط البلازما: يقوم التيار النبضي بتوليد بلازما عالية الحرارة فورية في الفجوات بين الجسيمات، مما يؤدي إلى إزالة أكاسيد السطح وتعزيز الانتشار الذري.

التسخين الجولي وتدرج درجة الحرارة: يقوم التيار الكهربائي بتوليد التسخين الجولي من خلال قالب الجرافيت، وترتفع درجة الحرارة بسرعة (حتى 600 درجة مئوية / دقيقة)، مما يشكل تدرجًا في درجة الحرارة يعمل على تسريع عملية التكثيف ويمنع نمو الحبيبات.

الانتشار بمساعدة المجال الكهربائي: يعمل المجال الكهربائي على خفض طاقة تنشيط التلبيد، مما يتيح لكربيد البورون تحقيق كثافة عالية (>95٪) عند 1700-2100 درجة مئوية، وهو أقل بمقدار 300-500 درجة مئوية من العملية التقليدية.

بالمقارنة مع التلبيد التقليدي، يتميز كربيد البورون المُحضر بتقنية التلبيد بالبلازما الشرارية (SPS) بحبيبات أدق (من النانو إلى الميكرون) وخصائص ميكانيكية فائقة. فعلى سبيل المثال، عند درجة حرارة 1600 درجة مئوية وضغط عالٍ يبلغ 300 ميجا باسكال، ترتفع مقاومة الكسر لكربيد البورون المُحضر بتقنية SPS إلى 5.56 ميجا باسكال متر مربع، كما تتحسن مقاومته الديناميكية بشكل ملحوظ.

ثانياً: الطفرة التكنولوجية: القفزة الرئيسية من المختبر إلى التصنيع

1. تحسين المعلمات والتحكم في البنية المجهرية

التآزر بين درجة الحرارة والضغط: أظهرت الأبحاث أنه عند درجات الحرارة المنخفضة (1700-2000 درجة مئوية)، يؤدي انزلاق حدود الجسيمات بشكل أساسي إلى زيادة الكثافة، بينما عند درجات الحرارة المرتفعة (أكثر من 2000 درجة مئوية)، يكون صعود الانخلاعات هو السائد. ومن خلال التحكم الدقيق في معدل التسخين والضغط، يمكن التحكم بدقة في حجم الحبيبات من 4 ميكرومتر إلى مقياس النانومتر.

تطبيقات مبتكرة لمواد التلبيد المساعدة: يمكن أن يؤدي إضافة مواد مضافة مثل الألومنيوم وكربيد السيليكون والجرافين إلى تحسين الأداء بشكل أكبر. على سبيل المثال، تُظهر خزفيات B4C/SiC/Al متعددة الأطوار مع 1.5% جرافين (GPLs) زيادة بنسبة 25.6% في مقاومة الكسر وزيادة بنسبة 99% في قوة الانحناء.

2. تصنيع المواد المتدرجة وظيفيًا في خطوة واحدة

نجح فريق نابو ماتيريالز، ولأول مرة، في تحقيق تلبيد أحادي الخطوة لمواد متدرجة وظيفيًا من كربيد البورون/الألومنيوم باستخدام تقنية التلبيد بالبلازما الشرارية (SPS). تتميز هذه المادة بانتقال تدريجي من كربيد البورون النقي (صلابة 32 جيجا باسكال) إلى الألومنيوم النقي (صلابة 1 جيجا باسكال)، مما يحل بنجاح مشكلات اختلاف درجات الانصهار الكبيرة وسهولة تكوّن الشوائب في العمليات التقليدية، ويفتح آفاقًا جديدة لتطوير الدروع الواقية من الرصاص والمواد المركبة ذات الموصلية الحرارية العالية.

3. تحقيق طفرة في الأداء في البيئات القاسية

في الصناعة النووية، تتميز ممتصات النيوترونات المصنوعة من كربيد البورون (B4C) بتقنية SPS بنقاوة تصل إلى 99.9%، ومقاومة إشعاعية ممتازة، وتكاليف التخلص من نفاياتها لا تتجاوز خُمس تكاليف المواد التقليدية القائمة على الكادميوم. أما في صناعة الطيران، فتساهم المواد المركبة من كربيد البورون والألومنيوم في تقليل وزن ألواح الحماية الأمامية لمحركات التوربينات المروحية بنسبة 40%، وتحسين كفاءة استهلاك الوقود بنسبة 2.3%.

ثالثًا: آفاق الصناعة: سوق جديدة غير مسبوقة في سوق تبلغ قيمتها تريليون دولار

1. تزدهر التطبيقات في جميع المجالات.

الصناعات الدفاعية والعسكرية: تستخدم طائرة النقل العسكرية الأمريكية من طراز Osprey دروعًا مركبة من نوع B4C، مما يقلل الوزن بنسبة 40٪ ويوفر حماية فائقة مقارنة بالدروع الفولاذية التقليدية.

أشباه الموصلات والإلكترونيات: تتميز منصة رقائق كربيد البورون بدقة عالية تصل إلى أقل من 1 ميكرومتر، ما يلبي متطلبات الدقة الفائقة لأجهزة الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى. كما تعمل تقنية التلبيد منخفضة الحرارة من شركة Zhihe New Materials على خفض درجة حرارة تلبيد كربيد البورون إلى 1950 درجة مئوية، مما يعزز استخدامها في مجال وسادات تلميع أشباه الموصلات.

الطاقة الجديدة وحماية البيئة: تعمل فوهات كربيد البورون على إطالة عمر معدات السفع الرملي عالي الضغط من 3 أشهر إلى سنتين، مما يقلل تكاليف الصيانة بنسبة 80%. كما يتوسع استخدامها بسرعة في مجالات الطاقة النووية والخلايا الشمسية وغيرها.

2. حجم السوق وعوائد السياسة

من المتوقع أن ينمو سوق كربيد البورون العالمي من 180 مليون دولار أمريكي في عام 2025 إلى 320 مليون دولار أمريكي في عام 2030، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 9.5%. وبصفتها أكبر منتج في العالم، تسعى الصين إلى ترسيخ مكانتها الرائدة في هذا القطاع من خلال الدعم السياسي والاختراقات التكنولوجية.

تقود تقنية التلبيد بالبلازما الشرارية (SPCS) تطوير مواد كربيد البورون من المختبر إلى التطبيق الصناعي. ويُوفر أداؤها المتميز في الصلابة والاستقرار الحراري وامتصاص النيوترونات حلولًا ثورية في مجالات الدفاع والطاقة والإلكترونيات. ومع التقدم التكنولوجي والدعم الحكومي، سيتألق كربيد البورون، هذا "الماس الأسود"، بلا شك في تطبيقات أوسع، ليصبح أحد المواد الرئيسية التي تدفع عجلة التقدم التكنولوجي البشري.