બોરોન કાર્બાઇડ એક ક્રાંતિકારી સફળતા લાવે છે

બોરોન કાર્બાઇડનું સ્પાર્ક પ્લાઝ્મા સિન્ટરિંગ: પરંપરાગત સિન્ટરિંગમાં એક ક્રાંતિકારી "બ્લેક ટેકનોલોજી" સફળતા.
સામગ્રી વિજ્ઞાનના ક્ષેત્રમાં,બોરોન કાર્બાઇડ (B4C)"બ્લેક ડાયમંડ" તરીકે ઓળખાતું, જે તેની ઉચ્ચ કઠિનતા, ઓછી ઘનતા, વસ્ત્રો પ્રતિકાર અને ન્યુટ્રોન શોષણ ક્ષમતાને કારણે "બ્લેક ડાયમંડ" તરીકે ઓળખાય છે, તેનો ઉપયોગ બુલેટપ્રૂફ આર્મર, પરમાણુ ઉદ્યોગ અને એરોસ્પેસ જેવા ઉચ્ચ-અંતિમ ક્ષેત્રોમાં વ્યાપકપણે થાય છે. જો કે, પરંપરાગત સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાઓ (જેમ કે દબાણ વિનાની સિન્ટરિંગ અને હોટ પ્રેસિંગ સિન્ટરિંગ) ઉચ્ચ સિન્ટરિંગ તાપમાન, લાંબા સિન્ટરિંગ સમય અને સરળ અનાજ કોર્સનિંગ જેવા પડકારોનો સામનો કરે છે, જે બોરોન કાર્બાઇડ કામગીરીમાં વધુ સુધારાને મર્યાદિત કરે છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, સ્પાર્ક પ્લાઝ્મા સિન્ટરિંગ (SPS) ટેકનોલોજી, તેના નીચા તાપમાન, ઝડપી ગતિ અને ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા સાથે, બોરોન કાર્બાઇડ માટે એક ગરમ સંશોધન ક્ષેત્ર બની ગયું છે, જે આ સુપરહાર્ડ સામગ્રીની એપ્લિકેશન સીમાઓને ફરીથી આકાર આપે છે.

I. SPS ટેકનોલોજી: સિન્ટરિંગ માટે એક ક્રાંતિકારી નવો દાખલો

SPS ટેકનોલોજી સ્પંદિત પ્રવાહ, યાંત્રિક દબાણ અને થર્મલ ક્ષેત્રની સિનર્જિસ્ટિક અસર દ્વારા બોરોન કાર્બાઇડનું ઝડપી ઘનકરણ પ્રાપ્ત કરે છે. તેનો મુખ્ય સિદ્ધાંત આમાં રહેલો છે:

પ્લાઝ્મા સક્રિયકરણ: સ્પંદિત પ્રવાહ આંતરકણ અંતરાયોમાં તાત્કાલિક ઉચ્ચ-તાપમાન પ્લાઝ્મા ઉત્પન્ન કરે છે, સપાટીના ઓક્સાઇડને દૂર કરે છે અને અણુ પ્રસારને પ્રોત્સાહન આપે છે.

જૌલ ગરમી અને તાપમાન ઢાળ: વિદ્યુત પ્રવાહ ગ્રેફાઇટ મોલ્ડ દ્વારા જૌલ ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે, અને તાપમાન ઝડપથી વધે છે (600℃/મિનિટ સુધી), તાપમાન ઢાળ બનાવે છે જે ઘનતાને વેગ આપે છે અને અનાજના વિકાસને અટકાવે છે.

ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ આસિસ્ટેડ ડિફ્યુઝન: ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ સિન્ટરિંગ એક્ટિવેશન એનર્જી ઘટાડે છે, જેનાથી બોરોન કાર્બાઇડ 1700-2100℃ પર ઉચ્ચ ઘનતા (>95%) પ્રાપ્ત કરી શકે છે, જે પરંપરાગત પ્રક્રિયા કરતા 300-500℃ ઓછું છે.

પરંપરાગત સિન્ટરિંગની તુલનામાં, SPS દ્વારા તૈયાર કરાયેલ બોરોન કાર્બાઇડમાં બારીક દાણા (નેનો થી માઇક્રોન સ્કેલ) અને શ્રેષ્ઠ યાંત્રિક ગુણધર્મો છે. ઉદાહરણ તરીકે, 1600℃ અને 300MPa ઉચ્ચ દબાણ પર, SPS દ્વારા તૈયાર કરાયેલ બોરોન કાર્બાઇડની ફ્રેક્ચર ટફનેસ 5.56MPa・m¹/² સુધી વધી જાય છે, અને ગતિશીલ ટફનેસ નોંધપાત્ર રીતે વધે છે.

II. ટેકનોલોજીકલ સફળતા: પ્રયોગશાળાથી ઔદ્યોગિકીકરણ સુધીનો મુખ્ય છલાંગ

1. પેરામીટર ઑપ્ટિમાઇઝેશન અને માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર નિયંત્રણ

તાપમાન અને દબાણનો સિનર્જી: સંશોધનમાં જાણવા મળ્યું છે કે નીચા તાપમાને (૧૭૦૦-૨૦૦૦℃), કણોની સીમા સરકવાથી મુખ્યત્વે ઘનતા વધે છે, જ્યારે ઊંચા તાપમાને (>૨૦૦૦℃), ડિસલોકેશન ચઢાણ પ્રબળ હોય છે. ગરમી દર અને દબાણને ચોક્કસ રીતે નિયંત્રિત કરીને, અનાજના કદને ૪μm થી નેનોમીટર સ્કેલ સુધી ચોક્કસ રીતે નિયંત્રિત કરી શકાય છે.

સિન્ટરિંગ એઇડ્સના નવીન ઉપયોગો: Al, SiC અને ગ્રાફીન જેવા ઉમેરણો ઉમેરવાથી કામગીરી વધુ સારી થઈ શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, 1.5% ગ્રાફીન (GPLs) સાથે B4C/SiC/Al મલ્ટિફેસ સિરામિક્સ ફ્રેક્ચર કઠિનતામાં 25.6% વધારો અને ફ્લેક્સરલ તાકાતમાં 99% વધારો દર્શાવે છે.

2. કાર્યાત્મક રીતે વર્ગીકૃત સામગ્રીનું એક-પગલાંનું ઉત્પાદન

નેપો મટિરિયલ્સ ટીમે પ્રથમ વખત SPS ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરીને B4C/Al કાર્યાત્મક રીતે ગ્રેડેડ સામગ્રીનું એક-પગલાની સિન્ટરિંગ પ્રાપ્ત કર્યું છે. આ સામગ્રી શુદ્ધ B4C (કઠિનતા 32 GPa) થી શુદ્ધ Al (કઠિનતા 1 GPa) માં ગ્રેડિયન્ટ સંક્રમણ પ્રાપ્ત કરે છે, પરંપરાગત પ્રક્રિયાઓમાં મોટા ગલનબિંદુ તફાવતો અને અશુદ્ધિ તબક્કાઓની સરળ રચનાની સમસ્યાઓને સફળતાપૂર્વક હલ કરે છે, બુલેટપ્રૂફ બખ્તર અને ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સંયુક્ત સામગ્રી માટે નવા વિચારો પ્રદાન કરે છે.

3. આત્યંતિક વાતાવરણમાં પ્રદર્શન સફળતા

પરમાણુ ઉદ્યોગમાં, SPS-તૈયાર B4C ન્યુટ્રોન શોષકો 99.9% ની શુદ્ધતા પ્રાપ્ત કરે છે, ઉત્તમ કિરણોત્સર્ગ પ્રતિકાર દર્શાવે છે, અને કચરાના નિકાલનો ખર્ચ પરંપરાગત કેડમિયમ-આધારિત સામગ્રીના માત્ર પાંચમા ભાગ જેટલો છે. એરોસ્પેસ ઉદ્યોગમાં, બોરોન કાર્બાઇડ/એલ્યુમિનિયમ સંયુક્ત સામગ્રી ટર્બોફેન એન્જિન અગ્રણી સુરક્ષા પ્લેટોનું વજન 40% ઘટાડે છે અને બળતણ કાર્યક્ષમતામાં 2.3% સુધારો કરે છે.

III. ઉદ્યોગની સંભાવનાઓ: ટ્રિલિયન ડોલરના બજારમાં એક નવો વાદળી સમુદ્ર

1. બધા ક્ષેત્રોમાં એપ્લિકેશનોનો વિકાસ થઈ રહ્યો છે.

સંરક્ષણ અને લશ્કરી ઉદ્યોગ: યુએસ સૈન્યના ઓસ્પ્રે ટ્રાન્સપોર્ટ એરક્રાફ્ટ B4C કમ્પોઝિટ આર્મરનો ઉપયોગ કરે છે, જે વજનમાં 40% ઘટાડો કરે છે અને પરંપરાગત સ્ટીલ આર્મર કરતાં શ્રેષ્ઠ સુરક્ષા પૂરી પાડે છે.

સેમિકન્ડક્ટર અને ઇલેક્ટ્રોનિક્સ: બોરોન કાર્બાઇડ વેફર સ્ટેજ ફ્લેટનેસ એરર < 1μm, EUV લિથોગ્રાફી મશીનોની અતિ-ઉચ્ચ ચોકસાઇ આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરે છે. ઝીહે ન્યૂ મટિરિયલ્સની લો-ટેમ્પરેચર સિન્ટરિંગ ટેકનોલોજી B4C સિન્ટરિંગ તાપમાનને 1950℃ સુધી ઘટાડે છે, જે સેમિકન્ડક્ટર પોલિશિંગ પેડ ક્ષેત્રમાં તેનો ઉપયોગ આગળ ધપાવે છે.

નવી ઉર્જા અને પર્યાવરણીય સંરક્ષણ: બોરોન કાર્બાઇડ નોઝલ ઉચ્ચ-દબાણવાળા સેન્ડબ્લાસ્ટિંગ સાધનોના આયુષ્યને 3 મહિનાથી 2 વર્ષ સુધી લંબાવે છે, જેનાથી જાળવણી ખર્ચ 80% ઓછો થાય છે. પરમાણુ ઉર્જા, સૌર કોષો અને અન્ય ક્ષેત્રોમાં તેમનો ઉપયોગ પણ ઝડપથી વિસ્તરી રહ્યો છે.

2. બજારનું કદ અને નીતિ લાભાંશ

વૈશ્વિક બોરોન કાર્બાઇડ બજાર 2025 માં $180 મિલિયનથી વધીને 2030 માં $320 મિલિયન થવાનો અંદાજ છે, જે 9.5% ના CAGR દર્શાવે છે. વિશ્વના સૌથી મોટા ઉત્પાદક તરીકે, ચીન નીતિ સમર્થન અને તકનીકી સફળતાઓ દ્વારા ઉદ્યોગનું અગ્રણી સ્થાન કબજે કરી રહ્યું છે.

સ્પાર્ક પ્લાઝ્મા સિન્ટરિંગ (SPCS) ટેકનોલોજી બોરોન કાર્બાઇડ સામગ્રીને પ્રયોગશાળાથી ઔદ્યોગિકીકરણ તરફ દોરી રહી છે. કઠિનતા, થર્મલ સ્થિરતા અને ન્યુટ્રોન શોષણમાં તેનું શ્રેષ્ઠ પ્રદર્શન સંરક્ષણ, ઊર્જા અને ઇલેક્ટ્રોનિક્સ માટે વિક્ષેપકારક ઉકેલો પૂરા પાડે છે. તકનીકી પ્રગતિ અને નીતિ સમર્થન સાથે, બોરોન કાર્બાઇડ, આ "કાળો હીરા", નિઃશંકપણે વધુ એપ્લિકેશનોમાં ચમકશે, જે માનવ તકનીકી પ્રગતિને આગળ ધપાવતી મુખ્ય સામગ્રીમાંની એક બનશે.