Boro karbido kibirkštinis plazmatinis sukepinimas: revoliucinis „juodosios technologijos“ proveržis tradiciniame sukepinimo procese.
Medžiagų mokslo srityjeboro karbidas (B4C), dėl didelio kietumo, mažo tankio, atsparumo dilimui ir neutronų sugerties pajėgumo žinomas kaip „juodasis deimantas“, yra plačiai naudojamas aukštos klasės srityse, tokiose kaip neperšaunami šarvai, branduolinė pramonė ir aviacija. Tačiau tradiciniai sukepinimo procesai (pvz., beslėgis sukepinimas ir karštojo presavimo sukepinimas) susiduria su tokiais iššūkiais kaip aukšta sukepinimo temperatūra, ilgas sukepinimo laikas ir lengvas grūdelių stambėjimas, kurie riboja tolesnį boro karbido savybių gerinimą. Pastaraisiais metais kibirkštinio plazminio sukepinimo (SPS) technologija, pasižyminti žema temperatūra, dideliu greičiu ir dideliu efektyvumu, tapo karšta boro karbido tyrimų sritimi, pakeisdama šios itin kietos medžiagos taikymo ribas.
I. SPS technologija: revoliucinė nauja sukepinimo paradigma
SPS technologija užtikrina greitą boro karbido tankinimą dėl impulsinės srovės, mechaninio slėgio ir terminio lauko sinergetinio poveikio. Pagrindinis jos principas yra toks:
Plazmos aktyvavimas: impulsinė srovė sukuria momentinę aukštos temperatūros plazmą tarpdalelių tarpuose, pašalindama paviršiaus oksidus ir skatindama atominę difuziją.
Džaulio kaitinimas ir temperatūros gradientas: elektros srovė generuoja Džaulio kaitinimą per grafito formą, ir temperatūra greitai pakyla (iki 600 ℃/min.), sudarydama temperatūros gradientą, kuris pagreitina tankėjimą ir slopina grūdų augimą.
Elektrinio lauko pagalba difuzija: elektrinis laukas sumažina sukepinimo aktyvacijos energiją, todėl boro karbidas pasiekia didelį tankį (> 95 %) esant 1700–2100 ℃ temperatūrai, kuri yra 300–500 ℃ mažesnė nei tradicinio proceso metu.
Palyginti su tradiciniu sukepinimo būdu, SPS būdu pagamintas boro karbidas pasižymi smulkesniais grūdeliais (nuo nano iki mikrono skalės) ir geresnėmis mechaninėmis savybėmis. Pavyzdžiui, esant 1600 ℃ temperatūrai ir 300 MPa aukštam slėgiui, SPS būdu pagaminto boro karbido atsparumas lūžiui padidėja iki 5,56 MPa·m¹/², o dinaminis atsparumas žymiai padidėja.
II. Technologinis proveržis: esminis šuolis nuo laboratorijos iki industrializacijos
1. Parametrų optimizavimas ir mikrostruktūros valdymas
Temperatūros ir slėgio sinergija: Tyrimai parodė, kad žemoje temperatūroje (1700–2000 ℃) dalelių ribų slydimas pirmiausia lemia tankėjimą, o aukštoje temperatūroje (> 2000 ℃) vyrauja dislokacijų kilimas. Tiksliai kontroliuojant kaitinimo greitį ir slėgį, grūdelių dydį galima tiksliai kontroliuoti nuo 4 μm iki nanometro skalės.
Novatoriškas sukepinimo priemonių pritaikymas: pridėjus tokių priedų kaip Al, SiC ir grafenas, galima dar labiau optimizuoti našumą. Pavyzdžiui, daugiafazė B4C/SiC/Al keramika su 1,5 % grafeno (GPL) pasižymi 25,6 % padidėjusiu atsparumu lūžiams ir 99 % padidėjusiu lenkimo stiprumu.
2. Funkciniu požiūriu graduotų medžiagų gamyba vienu etapu
„Napo Materials“ komanda pirmą kartą, naudodama SPS technologiją, atliko vieno etapo B4C/Al funkciniu požiūriu graduotų medžiagų sukepinimą. Ši medžiaga pasiekia gradientinį perėjimą iš gryno B4C (kietumas 32 GPa) į gryną Al (kietumas 1 GPa), sėkmingai išspręsdama didelių lydymosi temperatūrų skirtumų ir lengvo priemaišų fazių susidarymo problemas tradiciniuose procesuose, ir pateikdama naujų idėjų neperšaunamoms šarvų ir didelio šilumos laidumo kompozicinėms medžiagoms.
3. Našumo proveržis ekstremaliomis sąlygomis
Branduolinėje pramonėje SPS būdu paruošti B4C neutronų absorberiai pasiekia 99,9 % grynumo, pasižymi puikiu atsparumu spinduliuotei ir jų atliekų šalinimo sąnaudos sudaro tik penktadalį tradicinių kadmio pagrindu pagamintų medžiagų sąnaudų. Aviacijos ir kosmoso pramonėje boro karbido / aliuminio kompozicinės medžiagos 40 % sumažina turboventiliatorinių variklių priekinių kraštų apsauginių plokščių svorį ir 2,3 % pagerina degalų naudojimo efektyvumą.
III. Pramonės perspektyvos: naujas mėlynasis vandenynas trilijonų dolerių rinkoje
1. Paraiškų daugėja visose srityse.
Gynybos ir karinė pramonė: JAV kariuomenės transporto lėktuvas „Osprey“ naudoja B4C kompozicinius šarvus, kurie sumažina svorį 40 % ir suteikia geresnę apsaugą nei tradiciniai plieniniai šarvai.
Puslaidininkiai ir elektronika: boro karbido plokštelių pakopų plokštumos paklaida < 1 μm, atitinkanti itin aukštus EUV litografijos mašinų tikslumo reikalavimus. „Zhihe New Materials“ žemos temperatūros sukepinimo technologija sumažina B4C sukepinimo temperatūrą iki 1950 ℃, todėl ją galima taikyti puslaidininkių poliravimo pagalvėlių srityje.
Nauja energijos ir aplinkos apsauga: boro karbido purkštukai pailgina aukšto slėgio smėliavimo įrangos tarnavimo laiką nuo 3 mėnesių iki 2 metų, 80 % sumažindami priežiūros išlaidas. Jų taikymas branduolinėje energetikoje, saulės elementuose ir kitose srityse taip pat sparčiai plečiasi.
2. Rinkos dydis ir dividendai pagal politiką
Prognozuojama, kad pasaulinė boro karbido rinka išaugs nuo 180 mln. USD 2025 m. iki 320 mln. USD 2030 m., o tai reiškia 9,5 % metinį augimo tempą. Kinija, būdama didžiausia pasaulyje gamintoja, užima lyderės poziciją šioje pramonės šakoje, teikdama politinę paramą ir diegdama technologinius proveržius.
Kibirkštinio plazminio sukepinimo (SPCS) technologija veda boro karbido medžiagas iš laboratorijų į industrializaciją. Dėl puikių kietumo, terminio stabilumo ir neutronų absorbcijos savybių atsiranda novatoriškų sprendimų gynybos, energetikos ir elektronikos srityse. Tobulėjant technologijoms ir palaikant politiką, boro karbidas, šis „juodasis deimantas“, neabejotinai sužibės dar daugiau pritaikymų ir taps viena iš pagrindinių medžiagų, skatinančių žmonijos technologinę pažangą.