סינטור פלזמה ניצוצות של בורון קרביד: פריצת דרך מהפכנית של "טכנולוגיה שחורה" בסינטור מסורתי.
בתחום מדעי החומרים,בורון קרביד (B4C)בורון קרביד, המכונה "יהלום שחור" בשל קשיותו הגבוהה, צפיפותו הנמוכה, עמידותו בפני שחיקה ויכולת ספיגת נויטרונים, נמצא בשימוש נרחב בתחומים יוקרתיים כגון שריון חסין כדורים, תעשיית הגרעין ותעופה וחלל. עם זאת, תהליכי סינטור מסורתיים (כגון סינטור ללא לחץ וסינטור בכבישה חמה) מתמודדים עם אתגרים כגון טמפרטורות סינטור גבוהות, זמני סינטור ארוכים והתעבות קלה של גרגירים, דבר המגביל שיפורים נוספים בביצועי בורון קרביד. בשנים האחרונות, טכנולוגיית סינטור פלזמה ספארק (SPS), עם הטמפרטורה הנמוכה, המהירות המהירה והיעילות הגבוהה שלה, הפכה לתחום מחקר חם עבור בורון קרביד, ועיצבה מחדש את גבולות היישום של חומר סופר-קשה זה.
א. טכנולוגיית SPS: פרדיגמה חדשה ומהפכנית לסינטור
טכנולוגיית SPS משיגה צפיפות מהירה של בורון קרביד באמצעות אפקט סינרגטי של זרם פועם, לחץ מכני ושדה תרמי. העיקרון המרכזי שלה טמון ב:
הפעלת פלזמה: זרם פועם מייצר פלזמה בטמפרטורה גבוהה באופן מיידי בפערים שבין החלקיקים, מסיר תחמוצות פני השטח ומקדם דיפוזיה אטומית.
חימום ג'אול וגרדיאנט טמפרטורה: הזרם החשמלי מייצר חימום ג'אול דרך תבנית הגרפיט, והטמפרטורה עולה במהירות (עד 600 ℃/דקה), ויוצר גרדיאנט טמפרטורה המאיץ את הצפיפות ומעכב את צמיחת הגרעינים.
דיפוזיה בסיוע שדה חשמלי: השדה החשמלי מוריד את אנרגיית השפעול של הסינטור, ומאפשר לבורון קרביד להשיג צפיפות גבוהה (>95%) בטמפרטורה של 1700-2100 ℃, שהיא נמוכה ב-300-500 ℃ מהתהליך המסורתי.
בהשוואה לסינטור מסורתי, לבורון קרביד המוכן על ידי SPS יש גרגירים עדינים יותר (בקנה מידה של ננו עד מיקרון) ותכונות מכניות מעולות. לדוגמה, בטמפרטורה של 1600 מעלות צלזיוס ובלחץ גבוה של 300 מגה פסקל, קשיחות השבר של בורון קרביד המוכן על ידי SPS עולה ל-5.56 מגה פסקל מ"ר/ר"ר, והקשיחות הדינמית משופרת משמעותית.
II. פריצת דרך טכנולוגית: הקפיצה המרכזית ממעבדה לתיעוש
1. אופטימיזציה של פרמטרים ובקרת מיקרו-מבנה
סינרגיה בין טמפרטורה ללחץ: מחקרים מצאו כי בטמפרטורות נמוכות (1700-2000 מעלות צלזיוס), הזזה של גבולות החלקיקים מובילה בעיקר לצפיפות, בעוד שבטמפרטורות גבוהות (>2000 מעלות צלזיוס), טיפוס של תזוזה הוא הדומיננטי. על ידי שליטה מדויקת בקצב החימום והלחץ, ניתן לשלוט בגודל הגרגירים במדויק מ-4 מיקרון עד סקאלה של ננומטרי.
יישומים חדשניים של עזרי סינטור: הוספת תוספים כגון אלומיניום, SiC וגרפן יכולה לייעל עוד יותר את הביצועים. לדוגמה, קרמיקה רב-פאזית B4C/SiC/Al עם 1.5% גרפן (GPLs) מציגה עלייה של 25.6% בקשיחות שבר ועלייה של 99% בחוזק הכיפוף.
2. ייצור בשלב אחד של חומרים מדורגים פונקציונלית
צוות Napo Materials השיג, לראשונה, סינטור בשלב אחד של חומרים מדורגים פונקציונלית מסוג B4C/Al באמצעות טכנולוגיית SPS. חומר זה משיג מעבר הדרגתי מ-B4C טהור (קשיות 32 GPa) ל-Al טהור (קשיות 1 GPa), ובכך פותר בהצלחה את בעיות הפרשי נקודת ההיתוך הגדולים והיווצרות קלה של פאזות טומאה בתהליכים מסורתיים, ומספק רעיונות חדשים לחומרי שריון חסיני כדורים וחומרים מרוכבים בעלי מוליכות תרמית גבוהה.
3. פריצת דרך בביצועים בסביבות קיצוניות
בתעשיית הגרעין, בולמי נויטרונים B4C שהוכנו באמצעות SPS משיגים טוהר של 99.9%, מפגינים עמידות מצוינת לקרינה, ועלויות סילוק הפסולת שלהם הן רק חמישית מאלה של חומרים מסורתיים מבוססי קדמיום. בתעשיית התעופה והחלל, חומרים מרוכבים של בורון קרביד/אלומיניום מפחיתים את משקלם של לוחות ההגנה המובילים של מנועי טורבו-מאוורר ב-40% ומשפרים את יעילות הדלק ב-2.3%.
ג. סיכויי תעשייה: אוקיינוס כחול חדש בשוק של טריליון דולר
1. יישומים משגשגים בכל התחומים.
תעשיית הביטחון והצבא: מטוס התובלה אוספרי של צבא ארה"ב משתמש בשריון מרוכב B4C, המפחית את המשקל ב-40% ומספק הגנה עדיפה על שריון פלדה מסורתי.
מוליכים למחצה ואלקטרוניקה: שגיאת שטוחות בשלב פרוסת בורון קרביד < 1μm, ועומדת בדרישות הדיוק הגבוהות במיוחד של מכונות ליתוגרפיה EUV. טכנולוגיית הסינטר בטמפרטורה נמוכה של Zhihe New Materials מפחיתה את טמפרטורת הסינטר B4C ל-1950℃, מה שמניע את יישומה בתחום רפידות הליטוש של מוליכים למחצה.
אנרגיה חדשה והגנה על הסביבה: נחיריים מבורון קרביד מאריכים את תוחלת החיים של ציוד התזת חול בלחץ גבוה מ-3 חודשים לשנתיים, ומפחיתים את עלויות התחזוקה ב-80%. גם יישומם באנרגיה גרעינית, תאים סולאריים ותחומים אחרים מתרחב במהירות.
2. גודל השוק ודיבידנדים ממדיניות
שוק הבורון קרביד העולמי צפוי לגדול מ-180 מיליון דולר בשנת 2025 ל-320 מיליון דולר בשנת 2030, המייצג קצב צמיחה שנתי ממוצע (CAGR) של 9.5%. כיצרנית הגדולה בעולם, סין תופסת את מעמדה המוביל בתעשייה באמצעות תמיכה במדיניות ופריצות דרך טכנולוגיות.
טכנולוגיית סינטור פלזמה ספארק (SPCS) מובילה חומרי בורון קרביד מהמעבדה ועד לתיעוש. ביצועיה המעולים בקשיות, יציבות תרמית וספיגת נויטרונים מספקים פתרונות פורצי דרך לתחום ההגנה, האנרגיה והאלקטרוניקה. עם התקדמות טכנולוגית ותמיכה במדיניות, בורון קרביד, "יהלום שחור" זה, ללא ספק יזרח ביישומים רבים עוד יותר, ויהפוך לאחד החומרים המרכזיים המניעים את ההתקדמות הטכנולוגית האנושית.