تفجوشی کاربید بور با پلاسمای جرقهای: یک پیشرفت انقلابی در فناوری سیاه در تفجوشی سنتی
در حوزه علم مواد،کاربید بور (B4C)این ماده که به دلیل سختی بالا، چگالی کم، مقاومت در برابر سایش و ظرفیت جذب نوترون به عنوان "الماس سیاه" شناخته میشود، به طور گسترده در زمینههای پیشرفته مانند زرههای ضد گلوله، صنایع هستهای و هوافضا مورد استفاده قرار میگیرد. با این حال، فرآیندهای سنتی زینترینگ (مانند زینترینگ بدون فشار و زینترینگ با پرس گرم) با چالشهایی مانند دمای زینترینگ بالا، زمان زینترینگ طولانی و درشت شدن آسان دانهها مواجه هستند که پیشرفتهای بیشتر در عملکرد کاربید بور را محدود میکند. در سالهای اخیر، فناوری زینترینگ پلاسمای جرقهای (SPS)، با دمای پایین، سرعت سریع و راندمان بالا، به یک حوزه تحقیقاتی داغ برای کاربید بور تبدیل شده و مرزهای کاربرد این ماده فوق سخت را تغییر داده است.
I. فناوری SPS: یک الگوی انقلابی جدید برای زینترینگ
فناوری SPS از طریق اثر همافزایی جریان پالسی، فشار مکانیکی و میدان حرارتی، به تراکم سریع کاربید بور دست مییابد. اصل اساسی آن در موارد زیر نهفته است:
فعالسازی پلاسما: جریان پالسی، پلاسمای فوری با دمای بالا را در شکافهای بین ذرات ایجاد میکند، اکسیدهای سطحی را از بین میبرد و نفوذ اتمی را افزایش میدهد.
گرمایش ژول و گرادیان دما: جریان الکتریکی از طریق قالب گرافیتی، گرمایش ژول ایجاد میکند و دما به سرعت (تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد در دقیقه) افزایش مییابد و یک گرادیان دما ایجاد میکند که تراکم را تسریع کرده و رشد دانه را مهار میکند.
نفوذ به کمک میدان الکتریکی: میدان الکتریکی انرژی فعالسازی تفجوشی را کاهش میدهد و کاربید بور را قادر میسازد تا در دمای 1700-2100 درجه سانتیگراد به چگالی بالا (>95%) دست یابد که 300-500 درجه سانتیگراد کمتر از فرآیند سنتی است.
در مقایسه با تفجوشی سنتی، کاربید بور تهیهشده توسط SPS دانههای ریزتری (در مقیاس نانو تا میکرون) و خواص مکانیکی بهتری دارد. به عنوان مثال، در دمای 1600 درجه سانتیگراد و فشار بالای 300 مگاپاسکال، چقرمگی شکست کاربید بور تهیهشده توسط SPS به 5.56 مگاپاسکال بر متر مربع افزایش مییابد و چقرمگی دینامیکی آن به طور قابل توجهی افزایش مییابد.
II. پیشرفت تکنولوژیکی: جهش کلیدی از آزمایشگاه به صنعتی شدن
۱. بهینهسازی پارامترها و کنترل ریزساختار
همافزایی دما و فشار: تحقیقات نشان داده است که در دماهای پایین (۱۷۰۰-۲۰۰۰ درجه سانتیگراد)، لغزش مرز ذرات در درجه اول منجر به تراکم میشود، در حالی که در دماهای بالا (>۲۰۰۰ درجه سانتیگراد)، صعود نابجاییها غالب است. با کنترل دقیق نرخ گرمایش و فشار، میتوان اندازه دانه را از ۴ میکرومتر تا مقیاس نانومتر به طور دقیق کنترل کرد.
کاربردهای نوآورانهی کمکفنرهای زینترینگ: افزودن افزودنیهایی مانند Al، SiC و گرافن میتواند عملکرد را بیشتر بهینه کند. به عنوان مثال، سرامیکهای چندفازی B4C/SiC/Al با 1.5٪ گرافن (GPLs) افزایش 25.6٪ در چقرمگی شکست و افزایش 99٪ در استحکام خمشی را نشان میدهند.
۲. ساخت تک مرحلهای مواد مدرج تابعی
تیم ناپو متریالز برای اولین بار به تفجوشی تک مرحلهای مواد مدرج تابعی B4C/Al با استفاده از فناوری SPS دست یافته است. این ماده به گذار گرادیانی از B4C خالص (سختی 32 گیگاپاسکال) به آلومینیوم خالص (سختی 1 گیگاپاسکال) دست مییابد و با موفقیت مشکلات اختلاف نقطه ذوب زیاد و تشکیل آسان فازهای ناخالصی در فرآیندهای سنتی را حل میکند و ایدههای جدیدی برای زرههای ضد گلوله و مواد کامپوزیتی با رسانایی حرارتی بالا ارائه میدهد.
۳. عملکرد فوقالعاده در محیطهای سخت
در صنعت هستهای، جاذبهای نوترون B4C تهیهشده با SPS به خلوص ۹۹.۹٪ میرسند، مقاومت عالی در برابر تابش نشان میدهند و هزینههای دفع زباله آنها تنها یک پنجم مواد سنتی مبتنی بر کادمیوم است. در صنعت هوافضا، مواد کامپوزیت کاربید بور/آلومینیوم وزن صفحات محافظ لبه جلویی موتور توربوفن را ۴۰٪ کاهش میدهند و راندمان سوخت را ۲.۳٪ بهبود میبخشند.
III. چشماندازهای صنعت: یک اقیانوس آبی جدید در بازاری تریلیون دلاری
۱. کاربردها در همه زمینهها در حال شکوفایی هستند.
صنایع دفاعی و نظامی: هواپیمای ترابری Osprey ارتش آمریکا از زره کامپوزیتی B4C استفاده میکند که وزن را 40٪ کاهش میدهد و محافظتی برتر از زرههای فولادی سنتی ارائه میدهد.
نیمههادیها و الکترونیک: خطای مسطح بودن مرحله ویفر کاربید بور < 1μm، مطابق با الزامات دقت فوقالعاده بالای دستگاههای لیتوگرافی EUV. فناوری پخت در دمای پایین Zhihe New Materials دمای پخت B4C را به 1950 درجه سانتیگراد کاهش میدهد و کاربرد آن را در زمینه پدهای پرداخت نیمههادی افزایش میدهد.
انرژی نو و حفاظت از محیط زیست: نازلهای کاربید بور طول عمر تجهیزات سندبلاست فشار بالا را از ۳ ماه به ۲ سال افزایش میدهند و هزینههای نگهداری را تا ۸۰٪ کاهش میدهند. کاربرد آنها در انرژی هستهای، سلولهای خورشیدی و سایر زمینهها نیز به سرعت در حال گسترش است.
۲. اندازه بازار و سود سهام سیاستی
پیشبینی میشود بازار جهانی کاربید بور از ۱۸۰ میلیون دلار در سال ۲۰۲۵ به ۳۲۰ میلیون دلار در سال ۲۰۳۰ افزایش یابد که نشاندهنده نرخ رشد مرکب سالانه ۹.۵ درصد است. چین، به عنوان بزرگترین تولیدکننده جهان، از طریق حمایتهای سیاسی و پیشرفتهای فناوری، جایگاه پیشرو این صنعت را به دست میگیرد.
فناوری تفجوشی پلاسمای جرقهای (SPCS) مواد کاربید بور را از آزمایشگاه به صنعتی شدن هدایت میکند. عملکرد برتر آن در سختی، پایداری حرارتی و جذب نوترون، راهحلهای نوآورانهای را برای دفاع، انرژی و الکترونیک ارائه میدهد. با پیشرفتهای تکنولوژیکی و حمایتهای سیاسی، کاربید بور، این "الماس سیاه"، بدون شک در کاربردهای بیشتری خواهد درخشید و به یکی از مواد کلیدی محرک پیشرفت تکنولوژیکی بشر تبدیل خواهد شد.