Neistaplasmasintrun bórkarbíðs: Byltingarkennd „svarttækni“ í hefðbundinni sintrun.
Á sviði efnisfræði,bórkarbíð (B4C)Bórkarbíð, sem er þekkt sem „svartur demantur“ vegna mikillar hörku, lágrar eðlisþyngdar, slitþols og nifteindagleypni, er mikið notað í háþróuðum sviðum eins og skotheldum brynjum, kjarnorkuiðnaði og geimferðaiðnaði. Hins vegar standa hefðbundnar sintrunaraðferðir (eins og þrýstingslaus sintrun og heitpressun) frammi fyrir áskorunum eins og háum sintrunarhita, löngum sintrunartíma og auðveldri grófgerð korna, sem takmarkar frekari umbætur á afköstum bórkarbíðs. Á undanförnum árum hefur neistaplasmasintrun (SPS) tækni, með lágu hitastigi, miklum hraða og mikilli skilvirkni, orðið vinsælt rannsóknarsvið fyrir bórkarbíð og endurmótað notkunarmörk þessa ofurharða efnis.
I. SPS tækni: Byltingarkennd ný hugmyndafræði fyrir sintrun
SPS tækni nær hraðri þéttingu bórkarbíðs með samverkandi áhrifum púlsstraums, vélræns þrýstings og hitasviðs. Meginreglan felst í:
Plasmavirkjun: Púlsstraumur myndar samstundis háhitaplasma í bilunum milli agna, fjarlægir yfirborðsoxíð og stuðlar að dreifingu frumeinda.
Joule-upphitun og hitastigshalla: Rafstraumurinn myndar Joule-upphitun í gegnum grafítmótið og hitastigið hækkar hratt (allt að 600 ℃/mín.) og myndar hitastigshalla sem flýtir fyrir þéttingu og hindrar kornvöxt.
Rafsviðsaðstoðuð dreifing: Rafsviðið lækkar virkjunarorku sintrunar, sem gerir bórkarbíði kleift að ná mikilli eðlisþyngd (>95%) við 1700-2100 ℃, sem er 300-500 ℃ lægra en með hefðbundnu ferli.
Í samanburði við hefðbundna sintrun hefur bórkarbíð sem framleitt er með SPS fínni korn (frá nanó- til míkron-skala) og betri vélræna eiginleika. Til dæmis, við 1600°C og 300MPa háan þrýsting, eykst brotþol bórkarbíðs sem framleitt er með SPS í 5,56MPa・m¹/² og kraftmikil seigja eykst verulega.
II. Tæknibylting: Lykilstökkið frá rannsóknarstofu til iðnvæðingar
1. Færibreytubestun og örbyggingarstýring
Samvirkni hitastigs og þrýstings: Rannsóknir hafa leitt í ljós að við lágt hitastig (1700-2000℃) leiðir færsla á mörkum agna fyrst og fremst til þéttingar, en við hátt hitastig (>2000℃) er tilfærsluhreyfing ríkjandi. Með því að stjórna nákvæmlega hitunarhraða og þrýstingi er hægt að stjórna kornastærð nákvæmlega frá 4μm niður í nanómetra.
Nýstárlegar notkunarmöguleikar á sintrunarhjálpefnum: Með því að bæta við aukefnum eins og Al, SiC og grafeni er hægt að hámarka afköst enn frekar. Til dæmis sýnir B4C/SiC/Al fjölþætta keramik með 1,5% grafeni (GPL) 25,6% aukningu á brotþoli og 99% aukningu á beygjustyrk.
2. Framleiðsla á virkniflokkuðum efnum í einu skrefi
Teymið hjá Napo Materials hefur í fyrsta skipti náð einþreps sintrun á B4C/Al virknisflokkuðum efnum með SPS tækni. Þetta efni nær stigulumbreytingu frá hreinu B4C (hörku 32 GPa) yfir í hreint Al (hörku 1 GPa) og leysir þannig vandamálin með miklum bræðslumarksmun og auðveldri myndun óhreinindafasa í hefðbundnum ferlum. Þetta veitir nýjar hugmyndir að skotheldum brynjum og samsettum efnum með mikla varmaleiðni.
3. Byltingarkennd frammistaða í öfgafullum aðstæðum
Í kjarnorkuiðnaðinum ná B4C nifteindagleypar, sem eru framleiddir með SPS, 99,9% hreinleika, sýna framúrskarandi geislunarþol og hafa förgunarkostnað sem er aðeins einn fimmti af kostnaði við hefðbundin kadmíum-byggð efni. Í geimferðaiðnaðinum draga bórkarbíð/ál samsett efni úr þyngd fremstu verndarplata á túrbínuhreyflum um 40% og bæta eldsneytisnýtingu um 2,3%.
III. Horfur í atvinnulífinu: Nýtt blátt haf á trilljón dollara markaði
1. Umsóknir blómstra á öllum sviðum.
Varnar- og hernaðariðnaður: Osprey flutningaflugvél bandaríska hersins notar B4C samsett brynju sem dregur úr þyngd um 40% og veitir betri vörn en hefðbundin stálbrynja.
Hálfleiðarar og rafeindatækni: Flatnæmisvilla í bórkarbíði í skífum er < 1μm, sem uppfyllir kröfur um afar mikla nákvæmni fyrir EUV litografíuvélar. Lághitastigs sintrunartækni Zhihe New Materials lækkar B4C sintrunarhitastigið niður í 1950℃, sem knýr áfram notkun þess á sviði pússunarpúða fyrir hálfleiðara.
Ný orka og umhverfisvernd: Bórkarbíðstútar lengja líftíma háþrýstisandblástursbúnaðar úr 3 mánuðum í 2 ár og lækka viðhaldskostnað um 80%. Notkun þeirra í kjarnorku, sólarsellum og öðrum sviðum er einnig ört vaxandi.
2. Markaðsstærð og arður af stefnu
Spáð er að heimsmarkaðurinn fyrir bórkarbíð muni vaxa úr 180 milljónum Bandaríkjadala árið 2025 í 320 milljónir Bandaríkjadala árið 2030, sem samsvarar 9,5% árlegri vaxtarhlutfalli. Sem stærsti framleiðandi heims er Kína að ná forystu í greininni með stefnumótun og tækniframförum.
Spark plasma sintering (SPCS) tækni er að leiða bórkarbíð efni frá rannsóknarstofum til iðnvæðingar. Framúrskarandi frammistaða þess í hörku, hitastöðugleika og nifteindaupptöku býður upp á byltingarkenndar lausnir fyrir varnarmál, orku og rafeindatækni. Með tækniframförum og stefnumótun mun bórkarbíð, þessi „svarti demantur“, án efa skína í enn fleiri notkunarsviðum og verða eitt af lykilefnunum sem knýja áfram tækniframfarir mannkynsins.