Slinování karbidu boru jiskrovou plazmou: Revoluční průlom „černé technologie“ v tradičním slinování.
V oblasti materiálových věd,karbid boru (B4C), známý jako „černý diamant“ díky své vysoké tvrdosti, nízké hustotě, odolnosti proti opotřebení a schopnosti absorpce neutronů, je široce používán ve špičkových oblastech, jako jsou neprůstřelné pancíře, jaderný průmysl a letecký průmysl. Tradiční procesy spékání (jako je beztlakové spékání a spékání za tepla) však čelí výzvám, jako jsou vysoké teploty spékání, dlouhé doby spékání a snadné zhrubnutí zrn, což omezuje další zlepšování výkonu karbidu boru. V posledních letech se technologie spékání jiskrovou plazmou (SPS) s nízkou teplotou, vysokou rychlostí a vysokou účinností stala žhavou oblastí výzkumu karbidu boru a mění hranice použití tohoto supertvrdého materiálu.
I. Technologie SPS: Revoluční nové paradigma pro spékání
Technologie SPS dosahuje rychlého zhutňování karbidu boru synergickým efektem pulzního proudu, mechanického tlaku a tepelného pole. Její základní princip spočívá v:
Aktivace plazmatu: Pulzní proud generuje okamžitou vysokoteplotní plazmu v mezičásticových mezerách, odstraňuje povrchové oxidy a podporuje atomovou difúzi.
Jouleův ohřev a teplotní gradient: Elektrický proud generuje Jouleův ohřev skrz grafitovou formu a teplota rychle stoupá (až o 600 °C/min), čímž vzniká teplotní gradient, který urychluje zhušťování a brzdí růst zrn.
Difúze s pomocí elektrického pole: Elektrické pole snižuje aktivační energii slinování, což umožňuje karbidu boru dosáhnout vysoké hustoty (>95 %) při teplotách 1700–2100 ℃, což je o 300–500 ℃ méně než u tradičního procesu.
Ve srovnání s tradičním slinováním má karbid boru připravený metodou SPS jemnější zrna (v nano až mikronovém měřítku) a vynikající mechanické vlastnosti. Například při teplotě 1600 °C a vysokém tlaku 300 MPa se lomová houževnatost karbidu boru připraveného metodou SPS zvýší na 5,56 MPa·m¹/² a dynamická houževnatost se výrazně zlepší.
II. Technologický průlom: Klíčový skok od laboratoře k industrializaci
1. Optimalizace parametrů a řízení mikrostruktury
Synergie teploty a tlaku: Výzkum zjistil, že při nízkých teplotách (1700–2000 °C) vede posuv po hranicích částic primárně ke zhušťování, zatímco při vysokých teplotách (>2000 °C) dominuje stoupání dislokací. Přesnou regulací rychlosti ohřevu a tlaku lze přesně řídit velikost zrn od 4 μm do nanometrů.
Inovativní aplikace slinovacích pomůcek: Přidání přísad, jako je Al, SiC a grafen, může dále optimalizovat výkon. Například vícefázová keramika B4C/SiC/Al s 1,5 % grafenu (GPL) vykazuje 25,6% zvýšení lomové houževnatosti a 99% zvýšení pevnosti v ohybu.
2. Jednokroková výroba funkčně odstupňovaných materiálů
Tým Napo Materials poprvé dosáhl jednostupňového spékání funkčně stupňovitých materiálů B4C/Al s využitím technologie SPS. Tento materiál dosahuje gradientního přechodu z čistého B4C (tvrdost 32 GPa) na čistý Al (tvrdost 1 GPa), čímž úspěšně řeší problémy s velkými rozdíly v bodech tání a snadnou tvorbou nečistot v tradičních procesech a poskytuje nové nápady pro neprůstřelné pancéřování a kompozitní materiály s vysokou tepelnou vodivostí.
3. Průlom ve výkonu v extrémních podmínkách
V jaderném průmyslu dosahují neutronové absorbéry B4C připravené metodou SPS čistoty 99,9 %, vykazují vynikající radiační odolnost a jejich náklady na likvidaci odpadu jsou pouze pětinové oproti tradičním materiálům na bázi kadmia. V leteckém průmyslu snižují kompozitní materiály z karbidu boru a hliníku hmotnost ochranných desek náběžné hrany turbodmychadlových motorů o 40 % a zlepšují palivovou účinnost o 2,3 %.
III. Perspektivy odvětví: Nový modrý oceán na bilionovém trhu
1. Aplikace vzkvétají ve všech oblastech.
Obranný a vojenský průmysl: Transportní letoun Osprey americké armády používá kompozitní pancéřování B4C, které snižuje hmotnost o 40 % a poskytuje ochranu lepší než tradiční ocelové pancéřování.
Polovodiče a elektronika: Chyba rovinnosti destiček z karbidu boru < 1 μm, splňující požadavky na ultra vysokou přesnost litografických strojů EUV. Technologie nízkoteplotního spékání od společnosti Zhihe New Materials snižuje teplotu spékání B4C na 1950 ℃, což podporuje její využití v oblasti leštících kotoučů pro polovodiče.
Nová energie a ochrana životního prostředí: Trysky z karbidu boru prodlužují životnost vysokotlakých pískovacích zařízení ze 3 měsíců na 2 roky, což snižuje náklady na údržbu o 80 %. Jejich použití v jaderné energii, solárních článcích a dalších oblastech se také rychle rozšiřuje.
2. Velikost trhu a dividendy z politik
Předpokládá se, že globální trh s karbidem boru vzroste ze 180 milionů dolarů v roce 2025 na 320 milionů dolarů v roce 2030, což představuje složenou roční míru růstu (CAGR) 9,5 %. Čína, jakožto největší světový producent, si ujímá vedoucí pozice v tomto odvětví prostřednictvím politické podpory a technologických průlomů.
Technologie spékání jiskrovou plazmou (SPCS) vede materiály na bázi karbidu boru z laboratoří k industrializaci. Jejich vynikající vlastnosti v oblasti tvrdosti, tepelné stability a absorpce neutronů poskytují průlomová řešení pro obranu, energetiku a elektroniku. Díky technologickému pokroku a politické podpoře bude karbid boru, tento „černý diamant“, nepochybně zářit v ještě více aplikacích a stane se jedním z klíčových materiálů, které pohánějí lidský technologický pokrok.