बोरॉन कार्बाइड का स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग: पारंपरिक सिंटरिंग में एक क्रांतिकारी "ब्लैक टेक्नोलॉजी" की सफलता।
पदार्थ विज्ञान के क्षेत्र में,बोरॉन कार्बाइड (B4C)बोरॉन कार्बाइड, जिसे इसकी उच्च कठोरता, कम घनत्व, घिसाव प्रतिरोध और न्यूट्रॉन अवशोषण क्षमता के कारण "काला हीरा" के नाम से जाना जाता है, बुलेटप्रूफ कवच, परमाणु उद्योग और एयरोस्पेस जैसे उच्च स्तरीय क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। हालांकि, पारंपरिक सिंटरिंग प्रक्रियाओं (जैसे दबाव रहित सिंटरिंग और हॉट प्रेसिंग सिंटरिंग) में उच्च सिंटरिंग तापमान, लंबे सिंटरिंग समय और आसानी से दाने के मोटे होने जैसी चुनौतियां हैं, जो बोरॉन कार्बाइड के प्रदर्शन में और सुधार को सीमित करती हैं। हाल के वर्षों में, स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग (एसपीएस) तकनीक, अपने कम तापमान, तीव्र गति और उच्च दक्षता के साथ, बोरॉन कार्बाइड के लिए एक महत्वपूर्ण अनुसंधान क्षेत्र बन गई है, जिससे इस अति कठोर पदार्थ के अनुप्रयोग की सीमाएं बदल गई हैं।
I. एसपीएस प्रौद्योगिकी: सिंटरिंग के लिए एक क्रांतिकारी नया प्रतिमान
एसपीएस तकनीक स्पंदित धारा, यांत्रिक दबाव और तापीय क्षेत्र के सहक्रियात्मक प्रभाव के माध्यम से बोरोन कार्बाइड का तीव्र सघनीकरण प्राप्त करती है। इसका मूल सिद्धांत निम्नलिखित है:
प्लाज्मा सक्रियण: स्पंदित धारा कणों के बीच के अंतरालों में तात्कालिक उच्च तापमान वाला प्लाज्मा उत्पन्न करती है, जिससे सतह के ऑक्साइड हट जाते हैं और परमाणु प्रसार को बढ़ावा मिलता है।
जूल तापन और तापमान प्रवणता: विद्युत धारा ग्रेफाइट मोल्ड के माध्यम से जूल तापन उत्पन्न करती है, और तापमान तेजी से बढ़ता है (600℃/मिनट तक), जिससे एक तापमान प्रवणता बनती है जो सघनता को तेज करती है और कण वृद्धि को रोकती है।
विद्युत क्षेत्र द्वारा सहायता प्राप्त प्रसार: विद्युत क्षेत्र सिंटरिंग सक्रियण ऊर्जा को कम करता है, जिससे बोरोन कार्बाइड 1700-2100℃ पर उच्च घनत्व (>95%) प्राप्त कर सकता है, जो पारंपरिक प्रक्रिया की तुलना में 300-500℃ कम है।
परंपरागत सिंटरिंग की तुलना में, एसपीएस विधि द्वारा तैयार किए गए बोरोन कार्बाइड में महीन कण (नैनो से माइक्रोन स्केल तक) और बेहतर यांत्रिक गुण होते हैं। उदाहरण के लिए, 1600 ℃ तापमान और 300 एमपीए उच्च दबाव पर, एसपीएस विधि द्वारा तैयार किए गए बोरोन कार्बाइड की फ्रैक्चर टफनेस बढ़कर 5.56 एमपीए・m¹/² हो जाती है, और इसकी डायनामिक टफनेस में उल्लेखनीय वृद्धि होती है।
II. तकनीकी सफलता: प्रयोगशाला से औद्योगीकरण की ओर महत्वपूर्ण छलांग
1. पैरामीटर अनुकूलन और सूक्ष्म संरचना नियंत्रण
तापमान और दाब का सहक्रियात्मक प्रभाव: शोध से पता चला है कि कम तापमान (1700-2000℃) पर, कणों की सीमा का खिसकना मुख्य रूप से सघनता की ओर ले जाता है, जबकि उच्च तापमान (>2000℃) पर, विस्थापन का बढ़ना प्रमुख होता है। तापन दर और दाब को सटीक रूप से नियंत्रित करके, कण के आकार को 4 माइक्रोमीटर से लेकर नैनोमीटर पैमाने तक सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है।
सिंटरिंग सहायक पदार्थों के नवीन अनुप्रयोग: एल्युमिनियम, सिलिकॉन कार्बन और ग्राफीन जैसे योजक पदार्थों को मिलाने से प्रदर्शन को और बेहतर बनाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, 1.5% ग्राफीन युक्त B4C/SiC/Al बहुचरणीय सिरेमिक (GPLs) में फ्रैक्चर टफनेस में 25.6% और फ्लेक्सुरल स्ट्रेंथ में 99% की वृद्धि देखी गई है।
2. कार्यात्मक रूप से श्रेणीबद्ध सामग्रियों का एक-चरणीय निर्माण
नैपो मैटेरियल्स की टीम ने पहली बार एसपीएस तकनीक का उपयोग करके बी4सी/एल्यूमिनियम कार्यात्मक रूप से श्रेणीबद्ध सामग्रियों का एक-चरणीय सिंटरिंग हासिल किया है। यह सामग्री शुद्ध बी4सी (कठोरता 32 जीपीए) से शुद्ध एल्यूमिनियम (कठोरता 1 जीपीए) तक क्रमिक संक्रमण प्राप्त करती है, जिससे पारंपरिक प्रक्रियाओं में बड़े गलनांक अंतर और अशुद्धता चरणों के आसानी से निर्माण की समस्याओं का सफलतापूर्वक समाधान होता है, और बुलेटप्रूफ कवच और उच्च तापीय चालकता वाले मिश्रित सामग्रियों के लिए नए विचार सामने आते हैं।
3. अत्यधिक कठिन परिस्थितियों में प्रदर्शन में अभूतपूर्व उपलब्धि
परमाणु उद्योग में, एसपीएस द्वारा तैयार किए गए बी4सी न्यूट्रॉन अवशोषक 99.9% शुद्धता प्राप्त करते हैं, उत्कृष्ट विकिरण प्रतिरोध प्रदर्शित करते हैं, और इनके अपशिष्ट निपटान की लागत पारंपरिक कैडमियम-आधारित सामग्रियों की तुलना में केवल एक-पांचवां हिस्सा है। एयरोस्पेस उद्योग में, बोरोन कार्बाइड/एल्यूमीनियम मिश्रित सामग्री टर्बोफैन इंजन के अग्रणी किनारे की सुरक्षा प्लेटों का वजन 40% तक कम कर देती है और ईंधन दक्षता में 2.3% सुधार करती है।
III. उद्योग की संभावनाएं: एक खरब डॉलर के बाजार में एक नया उज्ज्वल भविष्य
1. सभी क्षेत्रों में अनुप्रयोगों में तेजी से वृद्धि हो रही है।
रक्षा और सैन्य उद्योग: अमेरिकी सेना के ओस्प्रे परिवहन विमान में बी4सी कंपोजिट कवच का उपयोग किया जाता है, जो वजन को 40% तक कम करता है और पारंपरिक स्टील कवच की तुलना में बेहतर सुरक्षा प्रदान करता है।
सेमीकंडक्टर और इलेक्ट्रॉनिक्स: बोरोन कार्बाइड वेफर स्टेज की समतलता त्रुटि < 1μm है, जो EUV लिथोग्राफी मशीनों की अति-उच्च परिशुद्धता आवश्यकताओं को पूरा करती है। ज़ीहे न्यू मैटेरियल्स की निम्न-तापमान सिंटरिंग तकनीक B4C के सिंटरिंग तापमान को 1950℃ तक कम कर देती है, जिससे सेमीकंडक्टर पॉलिशिंग पैड के क्षेत्र में इसका अनुप्रयोग बढ़ जाता है।
नई ऊर्जा और पर्यावरण संरक्षण: बोरॉन कार्बाइड नोजल उच्च दबाव वाले सैंडब्लास्टिंग उपकरणों की जीवन अवधि को 3 महीने से बढ़ाकर 2 वर्ष तक कर देते हैं, जिससे रखरखाव लागत में 80% तक की कमी आती है। परमाणु ऊर्जा, सौर सेल और अन्य क्षेत्रों में भी इनका उपयोग तेजी से बढ़ रहा है।
2. बाजार का आकार और नीतिगत लाभांश
वैश्विक बोरोन कार्बाइड बाजार के 2025 में 180 मिलियन डॉलर से बढ़कर 2030 में 320 मिलियन डॉलर होने का अनुमान है, जो 9.5% की सीएजीआर (कंपाउंड एनुअल ग्रोथ रेट) दर्शाता है। विश्व के सबसे बड़े उत्पादक के रूप में, चीन नीतिगत समर्थन और तकनीकी सफलताओं के माध्यम से इस उद्योग में अग्रणी स्थान हासिल कर रहा है।
स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग (एसपीसीएस) तकनीक बोरोन कार्बाइड पदार्थों को प्रयोगशाला से औद्योगीकरण की ओर ले जा रही है। कठोरता, ऊष्मीय स्थिरता और न्यूट्रॉन अवशोषण में इसका उत्कृष्ट प्रदर्शन रक्षा, ऊर्जा और इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्रों में क्रांतिकारी समाधान प्रदान करता है। तकनीकी प्रगति और नीतिगत समर्थन के साथ, बोरोन कार्बाइड, जिसे "काला हीरा" कहा जाता है, निस्संदेह और भी अधिक अनुप्रयोगों में अपनी चमक बिखेरेगा और मानव तकनीकी प्रगति को गति देने वाले प्रमुख पदार्थों में से एक बन जाएगा।