Плазменнае спяканне карбіду бору з дапамогай іскравай тэрапіі: рэвалюцыйны прарыў «чорнай тэхналогіі» ў традыцыйным спяканні.
У галіне матэрыялазнаўства,карбід бору (B4C), вядомы як «чорны дыямент» з-за сваёй высокай цвёрдасці, нізкай шчыльнасці, зносаўстойлівасці і здольнасці паглынаць нейтроны, шырока выкарыстоўваецца ў такіх высокапрадукцыйных галінах, як куленепрабівальная браня, ядзерная прамысловасць і аэракасмічная прамысловасць. Аднак традыцыйныя працэсы спякання (напрыклад, спяканне без ціску і спяканне гарачым прэсаваннем) сутыкаюцца з такімі праблемамі, як высокая тэмпература спякання, працяглы час спякання і лёгкае ўзбуйненне зерня, што абмяжоўвае далейшае паляпшэнне характарыстык карбіду бору. У апошнія гады тэхналогія іскравага плазменнага спякання (SPS) з яе нізкай тэмпературай, высокай хуткасцю і высокай эфектыўнасцю стала гарачай вобласцю даследаванняў карбіду бору, змяняючы межы прымянення гэтага звышцвёрдага матэрыялу.
I. Тэхналогія SPS: рэвалюцыйна новая парадыгма спякання
Тэхналогія SPS дазваляе дасягаць хуткага ўшчыльнення карбіду бору дзякуючы сінергічнаму эфекту імпульснага току, механічнага ціску і цеплавога поля. Яе асноўны прынцып заключаецца ў наступным:
Актывацыя плазмы: Імпульсны ток імгненна генеруе высокатэмпературную плазму ў міжчасцічных прамежках, выдаляючы паверхневыя аксіды і спрыяючы атамнай дыфузіі.
Джоўлеў нагрэў і градыент тэмпературы: электрычны ток генеруе джоўлеў нагрэў праз графітавую форму, і тэмпература хутка павышаецца (да 600℃/мін), утвараючы градыент тэмпературы, які паскарае ўшчыльненне і стрымлівае рост зерня.
Дыфузія з дапамогай электрычнага поля: электрычнае поле зніжае энергію актывацыі спякання, што дазваляе карбіду бору дасягнуць высокай шчыльнасці (>95%) пры тэмпературы 1700-2100℃, што на 300-500℃ ніжэй, чым у традыцыйным працэсе.
У параўнанні з традыцыйным спяканнем, карбід бору, атрыманы метадам SPS, мае больш дробныя зярністыя ўчасткі (ад нана да мікроннага маштабу) і лепшыя механічныя ўласцівасці. Напрыклад, пры тэмпературы 1600℃ і высокім ціску 300 МПа глейкасць разрушэння карбіду бору, атрыманага метадам SPS, павялічваецца да 5,56 МПа·м¹/², а дынамічная глейкасць значна паляпшаецца.
II. Тэхналагічны прарыў: ключавы скачок ад лабараторыі да індустрыялізацыі
1. Аптымізацыя параметраў і кантроль мікраструктуры
Сінергія тэмпературы і ціску: Даследаванні паказалі, што пры нізкіх тэмпературах (1700-2000℃) слізгаценне па межах часціц у асноўным прыводзіць да ўшчыльнення, у той час як пры высокіх тэмпературах (>2000℃) дамінуе паўзун дыслакацый. Дзякуючы дакладнаму кантролю хуткасці нагрэву і ціску, памер зерня можна дакладна кантраляваць ад 4 мкм да нанаметровага маштабу.
Інавацыйныя спосабы прымянення дабавак для спякання: даданне такіх дабавак, як Al, SiC і графен, можа яшчэ больш аптымізаваць прадукцыйнасць. Напрыклад, шматфазная кераміка B4C/SiC/Al з 1,5% графена (GPL) паказвае павелічэнне глейкасці разрушэння на 25,6% і павелічэнне трываласці на выгіб на 99%.
2. Аднаэтапнае вырабленне функцыянальна градыентных матэрыялаў
Каманда Napo Materials упершыню дасягнула аднаэтапнага спякання функцыянальна градыентных матэрыялаў B4C/Al з выкарыстаннем тэхналогіі SPS. Гэты матэрыял дасягае градыентнага пераходу ад чыстага B4C (цвёрдасць 32 ГПа) да чыстага Al (цвёрдасць 1 ГПа), паспяхова вырашаючы праблемы вялікіх розніц тэмператур плаўлення і лёгкага ўтварэння прымесных фаз у традыцыйных працэсах, што дае новыя ідэі для куленепрабівальнай броні і кампазітных матэрыялаў з высокай цеплаправоднасцю.
3. Прарыў у прадукцыйнасці ў экстрэмальных умовах
У ядзернай прамысловасці нейтронныя паглынальнікі B4C, падрыхтаваныя метадам SPS, дасягаюць чысціні 99,9%, дэманструюць выдатную радыяцыйную ўстойлівасць і маюць выдаткі на ўтылізацыю адходаў, якія складаюць толькі адну пятую ад выдаткаў на традыцыйныя матэрыялы на аснове кадмію. У аэракасмічнай прамысловасці кампазітныя матэрыялы з карбіду бору і алюмінію зніжаюць вагу ахоўных пласцін пярэдняй абзы турбавентылятарных рухавікоў на 40% і павышаюць паліўную эфектыўнасць на 2,3%.
III. Перспектывы галіны: новы блакітны акіян на рынку з трыльённым абаротам
1. Прыкладанні квітнеюць ва ўсіх галінах.
Абаронная і ваенная прамысловасць: транспартны самалёт Osprey амерыканскіх вайскоўцаў выкарыстоўвае кампазітную браню B4C, якая зніжае вагу на 40% і забяспечвае абарону, якая пераўзыходзіць традыцыйную сталёвую браню.
Паўправаднікі і электроніка: хібнасць плоскасці пласцін з карбіду бору < 1 мкм, што адпавядае патрабаванням звышвысокай дакладнасці для літаграфічных машын EUV. Тэхналогія нізкатэмпературнага спякання Zhihe New Materials зніжае тэмпературу спякання B4C да 1950℃, што спрыяе яе прымяненню ў галіне паліравальных дыскаў паўправаднікоў.
Новая энергія і ахова навакольнага асяроддзя: фарсункі з карбіду бору падаўжаюць тэрмін службы абсталявання для пяскоструйнай апрацоўкі пад высокім ціскам з 3 месяцаў да 2 гадоў, зніжаючы выдаткі на абслугоўванне на 80%. Іх прымяненне ў ядзернай энергетыцы, сонечных батарэях і іншых галінах таксама хутка пашыраецца.
2. Памер рынку і дывідэнды палітыкі
Прагназуецца, што сусветны рынак карбіду бору вырасце са 180 мільёнаў долараў у 2025 годзе да 320 мільёнаў долараў у 2030 годзе, што складае гадавы тэмп росту ў 9,5%. Кітай, як найбуйнейшы ў свеце вытворца, займае лідзіруючыя пазіцыі ў галіне дзякуючы палітычнай падтрымцы і тэхналагічным прарывам.
Тэхналогія іскравага плазменнага спякання (SPCS) вядзе матэрыялы з карбіду бору ад лабараторый да індустрыялізацыі. Яго выдатныя характарыстыкі цвёрдасці, тэрмічнай стабільнасці і паглынання нейтронаў забяспечваюць рэвалюцыйныя рашэнні для абароны, энергетыкі і электронікі. Дзякуючы тэхналагічнаму прагрэсу і палітычнай падтрымцы, карбід бору, гэты «чорны дыямент», несумненна, будзе ззяць у яшчэ большай колькасці прымяненняў, стаўшы адным з ключавых матэрыялаў, якія рухаюць тэхналагічны прагрэс чалавецтва.