Бор карбидін ұшқынды плазмалық күйдіру: дәстүрлі күйдірудегі революциялық «қара технология» серпілісі.
Материалтану саласында,бор карбиді (B4C)Жоғары қаттылығы, төмен тығыздығы, тозуға төзімділігі және нейтрондарды сіңіру қабілетіне байланысты «қара алмас» деп аталатын бұл металл оқ өткізбейтін сауыт, ядролық өнеркәсіб және аэроғарыш сияқты жоғары деңгейлі салаларда кеңінен қолданылады. Дегенмен, дәстүрлі күйдіру процестері (мысалы, қысымсыз күйдіру және ыстық престеу арқылы күйдіру) бор карбидінің өнімділігін одан әрі жақсартуды шектейтін жоғары температура, ұзақ күйдіру уақыты және дәнді оңай ірілендіру сияқты қиындықтарға тап болады. Соңғы жылдары ұшқын плазмалық күйдіру (SPS) технологиясы төмен температура, жылдам жылдамдық және жоғары тиімділігімен бор карбидін зерттеудің қызу бағытына айналды, бұл осы аса қатты материалдың қолдану шекараларын қайта қалыптастырады.
I. SPS технологиясы: күйдірудің революциялық жаңа парадигмасы
SPS технологиясы импульстік токтың, механикалық қысымның және жылу өрісінің синергетикалық әсері арқылы бор карбидінің тез тығыздалуына қол жеткізеді. Оның негізгі қағидасы:
Плазмалық активация: Импульстік ток бөлшектер арасындағы саңылауларда лезде жоғары температуралы плазманы тудырады, беттік оксидтерді кетіреді және атомдық диффузияны күшейтеді.
Джоульді қыздыру және температура градиенті: Электр тогы графит қалып арқылы Джоульді қыздыруды тудырады, ал температура тез көтеріледі (600℃/мин дейін), тығыздауды жеделдететін және дәннің өсуін тежейтін температура градиентін түзеді.
Электр өрісі көмегімен диффузия: Электр өрісі күйдірудің белсендіру энергиясын төмендетеді, бұл бор карбидінің 1700-2100℃ температурада жоғары тығыздыққа (>95%) жетуіне мүмкіндік береді, бұл дәстүрлі процеске қарағанда 300-500℃ төмен.
Дәстүрлі күйдірумен салыстырғанда, SPS дайындаған бор карбиді ұсақ түйіршіктерге (нано-микрон шкаласы бойынша) және жоғары механикалық қасиеттерге ие. Мысалы, 1600℃ және 300 МПа жоғары қысымда SPS дайындаған бор карбидінің сыну беріктігі 5,56 МПа·м¹/² дейін артады, ал динамикалық беріктігі айтарлықтай артады.
II. Технологиялық серпіліс: зертханадан индустрияландыруға дейінгі негізгі секіріс
1. Параметрлерді оңтайландыру және микроқұрылымды басқару
Температура және қысым синергиясы: Зерттеулер төмен температурада (1700-2000℃) бөлшектер шекарасының сырғанауының негізінен тығыздалуына әкелетінін, ал жоғары температурада (>2000℃) дислокацияның көтерілуі басым болатынын анықтады. Қыздыру жылдамдығы мен қысымын дәл басқару арқылы түйіршік өлшемін 4 мкм-ден нанометрлік шкалаға дейін дәл басқаруға болады.
Пісіруге арналған құралдардың инновациялық қолданылуы: Al, SiC және графен сияқты қоспаларды қосу өнімділікті одан әрі оңтайландыра алады. Мысалы, 1,5% графен (GPL) бар B4C/SiC/Al көпфазалы керамика сынуға төзімділіктің 25,6%-ға және иілу беріктігінің 99%-ға артуын көрсетеді.
2. Функционалды түрде сұрыпталған материалдарды бір сатылы өндіру
Napo Materials командасы алғаш рет SPS технологиясын қолдана отырып, B4C/Al функционалды түрде сұрыпталған материалдарды бір сатылы күйдіруге қол жеткізді. Бұл материал таза B4C-ден (қаттылығы 32 ГПа) таза Al-ге (қаттылығы 1 ГПа) градиенттік ауысуға қол жеткізеді, дәстүрлі процестерде үлкен балқу температурасы айырмашылықтары мен қоспа фазаларының оңай түзілуі мәселелерін сәтті шешеді, оқ өткізбейтін сауыт пен жоғары жылу өткізгіштік композиттік материалдар үшін жаңа идеялар ұсынады.
3. Экстремалды ортадағы өнімділік серпілісі
Ядролық өнеркәсібте SPS-пен дайындалған B4C нейтронды сіңіргіштері 99,9% тазалыққа жетеді, радиацияға төзімділігі жоғары және қалдықтарды жою шығындары дәстүрлі кадмий негізіндегі материалдардың шығындарының бестен бір бөлігін ғана құрайды. Аэроғарыш өнеркәсібінде бор карбиді/алюминий композиттік материалдары турбовентиляторлы қозғалтқыштың алдыңғы қатарлы қорғаныс пластиналарының салмағын 40%-ға азайтады және отын тиімділігін 2,3%-ға арттырады.
III. Саланың болашағы: триллион долларлық нарықтағы жаңа көк мұхит
1. Қолданбалар барлық салаларда гүлденуде.
Қорғаныс және әскери өнеркәсібі: АҚШ әскери күштерінің Osprey көлік ұшағы салмақты 40%-ға азайтатын және дәстүрлі болат сауытқа қарағанда жоғары қорғанысты қамтамасыз ететін B4C композиттік сауытын пайдаланады.
Жартылай өткізгіштер және электроника: бор карбиді пластина сатысының жазықтық қателігі < 1 мкм, EUV литография машиналарының өте жоғары дәлдік талаптарына сәйкес келеді. Zhihe New Materials компаниясының төмен температуралы күйдіру технологиясы B4C күйдіру температурасын 1950℃ дейін төмендетеді, бұл оны жартылай өткізгіш жылтырату жастықшасы саласында қолдануға мүмкіндік береді.
Жаңа энергия және қоршаған ортаны қорғау: Бор карбидті форсункалар жоғары қысымды құммен тазалау жабдықтарының қызмет ету мерзімін 3 айдан 2 жылға дейін ұзартады, бұл техникалық қызмет көрсету шығындарын 80%-ға азайтады. Оларды ядролық энергетикада, күн батареяларында және басқа да салаларда қолдану да тез дамып келеді.
2. Нарық көлемі және саясат бойынша дивидендтер
Бор карбидінің жаһандық нарығы 2025 жылы 180 миллион доллардан 2030 жылы 320 миллион долларға дейін өседі деп болжануда, бұл 9,5% жылдық орташа жылдық өсімді білдіреді. Әлемдегі ең ірі өндіруші ретінде Қытай саясаттық қолдау және технологиялық жетістіктер арқылы саланың жетекші орнын иеленуде.
Ұшқынды плазмалық күйдіру (SPCS) технологиясы бор карбидті материалдарын зертханадан индустрияландыруға дейін жетелейді. Оның қаттылық, термиялық тұрақтылық және нейтрондарды сіңірудегі жоғары өнімділігі қорғаныс, энергетика және электроника үшін маңызды шешімдер ұсынады. Технологиялық жетістіктер мен саяси қолдаудың арқасында бор карбиді, бұл «қара алмас», сөзсіз одан да көп қолданыста жарқырайды және адамзаттың технологиялық прогресін қозғаушы негізгі материалдардың біріне айналады.