Sinterització per plasma de guspira de carbur de bor: un avenç revolucionari de la "tecnologia negra" en la sinterització tradicional.
En el camp de la ciència de materials,carbur de bor (B4C), conegut com a "diamant negre" per la seva alta duresa, baixa densitat, resistència al desgast i capacitat d'absorció de neutrons, s'utilitza àmpliament en camps d'alta gamma com ara blindatges a prova de bales, indústria nuclear i aeroespacial. Tanmateix, els processos de sinterització tradicionals (com la sinterització sense pressió i la sinterització per premsat en calent) s'enfronten a reptes com ara temperatures de sinterització elevades, temps de sinterització llargs i fàcil engruiximent del gra, cosa que limita les millores en el rendiment del carbur de bor. En els darrers anys, la tecnologia de sinterització per plasma de guspira (SPS), amb la seva baixa temperatura, velocitat ràpida i alta eficiència, s'ha convertit en una àrea de recerca candent per al carbur de bor, remodelant els límits d'aplicació d'aquest material superdur.
I. Tecnologia SPS: un nou paradigma revolucionari per a la sinterització
La tecnologia SPS aconsegueix una densificació ràpida del carbur de bor mitjançant l'efecte sinèrgic del corrent pulsat, la pressió mecànica i el camp tèrmic. El seu principi bàsic rau en:
Activació del plasma: el corrent pulsat genera plasma instantani d'alta temperatura en els espais interpartícules, eliminant els òxids superficials i promovent la difusió atòmica.
Escalfament per Joule i gradient de temperatura: el corrent elèctric genera un escalfament per Joule a través del motlle de grafit i la temperatura augmenta ràpidament (fins a 600 ℃/min), formant un gradient de temperatura que accelera la densificació i inhibeix el creixement del gra.
Difusió assistida per camp elèctric: el camp elèctric redueix l'energia d'activació de la sinterització, cosa que permet que el carbur de bor aconsegueixi una alta densitat (>95%) a 1700-2100 ℃, que és 300-500 ℃ inferior al procés tradicional.
En comparació amb la sinterització tradicional, el carbur de bor preparat per SPS té grans més fins (de nano a micres) i propietats mecàniques superiors. Per exemple, a 1600 ℃ i 300 MPa d'alta pressió, la tenacitat a la fractura del carbur de bor preparat per SPS augmenta fins a 5,56 MPa・m¹/², i la tenacitat dinàmica millora significativament.
II. Avenç tecnològic: el salt clau del laboratori a la industrialització
1. Optimització de paràmetres i control de microestructura
Sinergia de temperatura i pressió: La investigació ha descobert que a baixes temperatures (1700-2000 ℃), el lliscament del límit de les partícules condueix principalment a la densificació, mentre que a altes temperatures (>2000 ℃), l'ascens de dislocacions és dominant. Controlant amb precisió la velocitat d'escalfament i la pressió, la mida del gra es pot controlar amb precisió des de 4 μm fins a l'escala nanomètrica.
Aplicacions innovadores dels ajudants de sinterització: l'addició d'additius com ara Al, SiC i grafè pot optimitzar encara més el rendiment. Per exemple, les ceràmiques multifàsiques B4C/SiC/Al amb un 1,5% de grafè (GPL) mostren un augment del 25,6% en la tenacitat a la fractura i un augment del 99% en la resistència a la flexió.
2. Fabricació en un sol pas de materials amb graduació funcional
L'equip de Napo Materials ha aconseguit, per primera vegada, la sinterització en un sol pas de materials amb gradient funcional B4C/Al mitjançant la tecnologia SPS. Aquest material aconsegueix una transició de gradient de B4C pur (duresa 32 GPa) a Al pur (duresa 1 GPa), resolent amb èxit els problemes de grans diferències de punt de fusió i fàcil formació de fases d'impureses en els processos tradicionals, proporcionant noves idees per a blindatges a prova de bales i materials compostos d'alta conductivitat tèrmica.
3. Avenç en el rendiment en entorns extrems
A la indústria nuclear, els absorbents de neutrons B4C preparats amb SPS aconsegueixen una puresa del 99,9%, presenten una excel·lent resistència a la radiació i tenen uns costos d'eliminació de residus que només són una cinquena part dels dels materials tradicionals basats en cadmi. A la indústria aeroespacial, els materials compostos de carbur de bor/alumini redueixen el pes de les plaques de protecció de la vora davantera dels motors turbofan en un 40% i milloren l'eficiència del combustible en un 2,3%.
III. Perspectives de la indústria: un nou oceà blau en un mercat de bilions de dòlars
1. Les aplicacions estan prosperant en tots els camps.
Defensa i indústria militar: l'avió de transport Osprey de l'exèrcit nord-americà utilitza blindatge compost B4C, que redueix el pes en un 40% i proporciona una protecció superior al blindatge d'acer tradicional.
Semiconductors i electrònica: Error de planitud de l'etapa de la làmina de carbur de bor < 1 μm, que compleix els requisits d'ultraalta precisió de les màquines de litografia EUV. La tecnologia de sinterització a baixa temperatura de Zhihe New Materials redueix la temperatura de sinterització de B4C a 1950 ℃, cosa que impulsa la seva aplicació en el camp dels coixinets de polit de semiconductors.
Nova energia i protecció del medi ambient: els broquets de carbur de bor allarguen la vida útil dels equips de sorrejat d'alta pressió de 3 mesos a 2 anys, reduint els costos de manteniment en un 80%. La seva aplicació en energia nuclear, cèl·lules solars i altres camps també s'està expandint ràpidament.
2. Mida del mercat i dividends de la política
Es preveu que el mercat mundial del carbur de bor creixi de 180 milions de dòlars el 2025 a 320 milions de dòlars el 2030, cosa que representa una taxa de creixement anual composta (CAGR) del 9,5%. Com a productor més gran del món, la Xina està aconseguint la posició de lideratge de la indústria mitjançant el suport polític i els avenços tecnològics.
La tecnologia de sinterització per plasma de guspira (SPCS) està liderant els materials de carbur de bor del laboratori a la industrialització. El seu rendiment superior en duresa, estabilitat tèrmica i absorció de neutrons proporciona solucions disruptives per a la defensa, l'energia i l'electrònica. Amb els avenços tecnològics i el suport polític, el carbur de bor, aquest "diamant negre", sens dubte brillarà en encara més aplicacions, convertint-se en un dels materials clau que impulsen el progrés tecnològic humà.