Sinterización por plasma de chispa de carburo de boro: un avance revolucionario da "tecnoloxía negra" na sinterización tradicional.
No campo da ciencia dos materiais,carburo de boro (B4C), coñecido como "diamante negro" debido á súa alta dureza, baixa densidade, resistencia ao desgaste e capacidade de absorción de neutróns, úsase amplamente en campos de alta gama como blindaxes a proba de balas, industria nuclear e aeroespacial. Non obstante, os procesos de sinterización tradicionais (como a sinterización sen presión e a sinterización por prensado en quente) enfróntanse a desafíos como as altas temperaturas de sinterización, os longos tempos de sinterización e a facilidade de grosorización do gran, o que limita as melloras futuras no rendemento do carburo de boro. Nos últimos anos, a tecnoloxía de sinterización por plasma de faísca (SPS), coa súa baixa temperatura, rápida velocidade e alta eficiencia, converteuse nunha área de investigación candente para o carburo de boro, remodelando os límites de aplicación deste material superduro.
I. Tecnoloxía SPS: Un novo paradigma revolucionario para a sinterización
A tecnoloxía SPS consegue unha rápida densificación do carburo de boro mediante o efecto sinérxico da corrente pulsada, a presión mecánica e o campo térmico. O seu principio fundamental reside en:
Activación do plasma: a corrente pulsada xera plasma instantáneo a alta temperatura nos espazos interpartículas, eliminando os óxidos superficiais e promovendo a difusión atómica.
Quecemento por efecto Joule e gradiente de temperatura: a corrente eléctrica xera quecemento por efecto Joule a través do molde de grafito e a temperatura aumenta rapidamente (ata 600 ℃/min), formando un gradiente de temperatura que acelera a densificación e inhibe o crecemento do gran.
Difusión asistida por campo eléctrico: o campo eléctrico reduce a enerxía de activación da sinterización, o que permite que o carburo de boro alcance unha alta densidade (>95 %) a 1700-2100 ℃, que é 300-500 ℃ inferior ao proceso tradicional.
En comparación coa sinterización tradicional, o carburo de boro preparado por SPS ten grans máis finos (de nanoescala a micras) e propiedades mecánicas superiores. Por exemplo, a 1600 ℃ e 300 MPa de alta presión, a tenacidade á fractura do carburo de boro preparado por SPS aumenta a 5,56 MPa・m¹/² e a tenacidade dinámica mellora significativamente.
II. Avance tecnolóxico: o salto fundamental do laboratorio á industrialización
1. Optimización de parámetros e control de microestruturas
Sinerxía de temperatura e presión: A investigación descubriu que a baixas temperaturas (1700-2000 ℃), o deslizamento dos límites das partículas leva principalmente á densificación, mentres que a altas temperaturas (>2000 ℃), o ascenso das dislocacións é dominante. Ao controlar con precisión a velocidade de quecemento e a presión, o tamaño do gran pódese controlar con precisión desde 4 μm ata a escala nanométrica.
Aplicacións innovadoras dos aditivos de sinterización: Engadir aditivos como Al, SiC e grafeno pode optimizar aínda máis o rendemento. Por exemplo, as cerámicas multifásicas B4C/SiC/Al cun 1,5 % de grafeno (GPL) mostran un aumento do 25,6 % na tenacidade á fractura e un aumento do 99 % na resistencia á flexión.
2. Fabricación nun só paso de materiais con gradación funcional
O equipo de Napo Materials conseguiu, por primeira vez, a sinterización nun só paso de materiais B4C/Al con gradación funcional mediante a tecnoloxía SPS. Este material consegue unha transición en gradiente de B4C puro (dureza 32 GPa) a Al puro (dureza 1 GPa), resolvendo con éxito os problemas das grandes diferenzas de puntos de fusión e a fácil formación de fases de impurezas nos procesos tradicionais, proporcionando novas ideas para blindaxe a proba de balas e materiais compostos de alta condutividade térmica.
3. Avance no rendemento en contornas extremas
Na industria nuclear, os absorbentes de neutróns B4C preparados con SPS alcanzan unha pureza do 99,9 %, presentan unha excelente resistencia á radiación e teñen custos de eliminación de residuos que son só unha quinta parte dos dos materiais tradicionais a base de cadmio. Na industria aeroespacial, os materiais compostos de carburo de boro/aluminio reducen o peso das placas de protección do bordo dianteiro dos motores turbofan nun 40 % e melloran a eficiencia do combustible nun 2,3 %.
III. Perspectivas da industria: un novo océano azul nun mercado de billóns de dólares
1. As aplicacións están a florecer en todos os campos.
Defensa e industria militar: o avión de transporte Osprey do exército estadounidense usa blindaxe composta B4C, que reduce o peso nun 40 % e proporciona unha protección superior á blindaxe de aceiro tradicional.
Semicondutores e electrónica: erro de planitude da etapa da oblea de carburo de boro < 1 μm, o que cumpre cos requisitos de precisión ultraalta das máquinas de litografía EUV. A tecnoloxía de sinterización a baixa temperatura de Zhihe New Materials reduce a temperatura de sinterización de B4C a 1950 ℃, o que impulsa a súa aplicación no campo das almofadas de pulido de semicondutores.
Nova enerxía e protección ambiental: as boquillas de carburo de boro prolongan a vida útil dos equipos de chorro de area a alta presión de 3 meses a 2 anos, o que reduce os custos de mantemento nun 80 %. A súa aplicación na enerxía nuclear, as células solares e outros campos tamén se está a expandir rapidamente.
2. Tamaño do mercado e dividendos da política
Proxéctase que o mercado mundial de carburo de boro crecerá de 180 millóns de dólares en 2025 a 320 millóns de dólares en 2030, o que representa unha taxa de crecemento anual composta (TCAC) do 9,5 %. Como maior produtor mundial, China está a apoderarse da posición de liderado da industria mediante o apoio político e os avances tecnolóxicos.
A tecnoloxía de sinterización por plasma de faísca (SPCS) está a levar os materiais de carburo de boro do laboratorio á industrialización. O seu rendemento superior en dureza, estabilidade térmica e absorción de neutróns proporciona solucións disruptivas para a defensa, a enerxía e a electrónica. Cos avances tecnolóxicos e o apoio político, o carburo de boro, este "diamante negro", brillará sen dúbida en aínda máis aplicacións, converténdose nun dos materiais clave que impulsan o progreso tecnolóxico humano.