Bora karbīda dzirksteļu plazmas sintēze: revolucionārs "melnās tehnoloģijas" sasniegums tradicionālajā sintēzes tehnoloģijā.
Materiālzinātnes jomā,bora karbīds (B4C), kas pazīstams kā “melnais dimants” tā augstās cietības, zemā blīvuma, nodilumizturības un neitronu absorbcijas spējas dēļ, tiek plaši izmantots augstas klases jomās, piemēram, ložu necaurlaidīgo bruņu konstrukcijās, kodolrūpniecībā un kosmiskajā aviācijā. Tomēr tradicionālie saķepināšanas procesi (piemēram, bezspiediena saķepināšana un karstās presēšanas saķepināšana) saskaras ar tādiem izaicinājumiem kā augsta saķepināšanas temperatūra, ilgs saķepināšanas laiks un viegla graudu rupjināšana, kas ierobežo turpmāku bora karbīda veiktspējas uzlabošanu. Pēdējos gados dzirksteles plazmas saķepināšanas (SPS) tehnoloģija ar tās zemo temperatūru, lielo ātrumu un augsto efektivitāti ir kļuvusi par karstu bora karbīda pētniecības jomu, mainot šī supercietā materiāla pielietojuma robežas.
I. SPS tehnoloģija: revolucionāri jauna sinterēšanas paradigma
SPS tehnoloģija panāk bora karbīda ātru sablīvēšanu, izmantojot impulsstrāvas, mehāniskā spiediena un termiskā lauka sinerģisko efektu. Tās pamatprincips ir šāds:
Plazmas aktivācija: impulsa strāva ģenerē momentānu augstas temperatūras plazmu starpdaļiņu spraugās, noņemot virsmas oksīdus un veicinot atomu difūziju.
Džoula sildīšana un temperatūras gradients: elektriskā strāva rada Džoula sildīšanu caur grafīta veidni, un temperatūra strauji paaugstinās (līdz 600 ℃/min), veidojot temperatūras gradientu, kas paātrina blīvēšanu un kavē graudu augšanu.
Elektriskā lauka atbalstīta difūzija: elektriskais lauks samazina sintēzes aktivācijas enerģiju, ļaujot bora karbīdam sasniegt augstu blīvumu (> 95%) 1700–2100 ℃ temperatūrā, kas ir par 300–500 ℃ zemāka nekā tradicionālajā procesā.
Salīdzinot ar tradicionālo sintēzes metodi, ar SPS metodi iegūtajam bora karbīdam ir smalkāki graudi (no nano līdz mikronu mēroga) un labākas mehāniskās īpašības. Piemēram, 1600 ℃ temperatūrā un 300 MPa augstā spiedienā ar SPS metodi iegūtā bora karbīda plīsuma izturība palielinās līdz 5,56 MPa·m¹/², un dinamiskā izturība ievērojami uzlabojas.
II. Tehnoloģiskais izrāviens: galvenais lēciens no laboratorijas uz industrializāciju
1. Parametru optimizācija un mikrostruktūras kontrole
Temperatūras un spiediena sinerģija: Pētījumi ir atklājuši, ka zemā temperatūrā (1700–2000 ℃) daļiņu robežas slīdēšana galvenokārt noved pie blīvēšanas, savukārt augstā temperatūrā (> 2000 ℃) dominējoša ir dislokācijas kāpšana. Precīzi kontrolējot sildīšanas ātrumu un spiedienu, graudu izmēru var precīzi kontrolēt no 4 μm līdz nanometru skalai.
Inovatīvi sinterēšanas palīglīdzekļu pielietojumi: Pievienojot tādas piedevas kā Al, SiC un grafēns, var vēl vairāk optimizēt veiktspēju. Piemēram, B4C/SiC/Al daudzfāžu keramika ar 1,5% grafēna (GPL) uzrāda 25,6% lūzuma izturības pieaugumu un 99% lieces izturības pieaugumu.
2. Funkcionāli graduētu materiālu vienpakāpes izgatavošana
Napo Materials komanda pirmo reizi ir panākusi B4C/Al funkcionāli graduētu materiālu vienpakāpes sintēšanu, izmantojot SPS tehnoloģiju. Šis materiāls panāk gradienta pāreju no tīra B4C (cietība 32 GPa) uz tīru Al (cietība 1 GPa), veiksmīgi atrisinot lielo kušanas temperatūras atšķirību un piemaisījumu fāžu vieglas veidošanās problēmas tradicionālajos procesos, sniedzot jaunas idejas ložu necaurlaidīgiem bruņu un augstas siltumvadītspējas kompozītmateriāliem.
3. Veiktspējas izrāviens ekstremālos apstākļos
Kodolrūpniecībā ar SPS sagatavoti B4C neitronu absorbētāji sasniedz 99,9% tīrību, tiem ir lieliska izturība pret radiāciju, un to atkritumu apglabāšanas izmaksas ir tikai viena piektdaļa no tradicionālajiem kadmija bāzes materiāliem. Aviācijas un kosmosa rūpniecībā bora karbīda/alumīnija kompozītmateriāli samazina turbopropelleru dzinēju priekšējās malas aizsargplākšņu svaru par 40% un uzlabo degvielas patēriņu par 2,3%.
III. Nozares perspektīvas: jauns zilais okeāns triljonu dolāru tirgū
1. Pieteikumi zeļ un zeļ visās jomās.
Aizsardzības un militārā rūpniecība: ASV armijas Osprey transporta lidmašīnā tiek izmantotas B4C kompozītmateriāla bruņas, kas samazina svaru par 40 % un nodrošina pārāku aizsardzību nekā tradicionālās tērauda bruņas.
Pusvadītāji un elektronika: bora karbīda plāksnes pakāpju plakanuma kļūda < 1 μm, kas atbilst EUV litogrāfijas iekārtu īpaši augstas precizitātes prasībām. Zhihe New Materials zemas temperatūras sintēzes tehnoloģija samazina B4C sintēzes temperatūru līdz 1950 ℃, veicinot tās pielietojumu pusvadītāju pulēšanas spilventiņu jomā.
Jauna enerģija un vides aizsardzība: bora karbīda sprauslas pagarina augstspiediena smilšu strūklas iekārtu kalpošanas laiku no 3 mēnešiem līdz 2 gadiem, samazinot apkopes izmaksas par 80%. To pielietojums kodolenerģijā, saules baterijās un citās jomās arī strauji paplašinās.
2. Tirgus lielums un polises dividendes
Paredzams, ka globālais bora karbīda tirgus pieaugs no 180 miljoniem ASV dolāru 2025. gadā līdz 320 miljoniem ASV dolāru 2030. gadā, kas atbilst 9,5% saliktajam gada pieauguma tempam (CAGR). Kā pasaulē lielākā ražotāja, Ķīna ieņem vadošo pozīciju nozarē, pateicoties politikas atbalstam un tehnoloģiskiem sasniegumiem.
Dzirksteļplazmas sintēzes (SPCS) tehnoloģija ved bora karbīda materiālus no laboratorijas uz industrializāciju. Tā izcilā cietība, termiskā stabilitāte un neitronu absorbcija nodrošina revolucionārus risinājumus aizsardzības, enerģētikas un elektronikas nozarēm. Pateicoties tehnoloģiskajiem sasniegumiem un politikas atbalstam, bora karbīds, šis "melnais dimants", neapšaubāmi spīdēs vēl vairāk pielietojumu, kļūstot par vienu no galvenajiem materiāliem, kas virza cilvēces tehnoloģisko progresu.