Бор карбидын оч плазмын хайлуулах арга: Уламжлалт хайлуулах салбарт гарсан хувьсгалт "хар технологийн" нээлт.
Материал судлалын салбарт,борын карбид (B4C)Өндөр хатуулаг, бага нягтрал, элэгдэлд тэсвэртэй, нейтрон шингээх чадвараараа "хар алмааз" гэгддэг энэхүү чулууг сум нэвтэрдэггүй хуяг, цөмийн үйлдвэрлэл, сансар судлал зэрэг өндөр зэрэглэлийн салбарт өргөн ашигладаг. Гэсэн хэдий ч уламжлалт хайлуулах процессууд (жишээлбэл, даралтгүй хайлуулах, халуун шахах хайлуулах) нь өндөр хайлуулах температур, урт хайлуулах хугацаа, үр тариаг хялбархан бүдүүрүүлэх зэрэг бэрхшээлтэй тулгардаг бөгөөд энэ нь бор карбидын гүйцэтгэлийг цаашид сайжруулахад саад болдог. Сүүлийн жилүүдэд оч плазмын хайлуулах (SPS) технологи нь бага температур, хурдан хурд, өндөр үр ашигтай тул бор карбидын судалгааны халуун чиглэл болж, энэхүү хэт хатуу материалын хэрэглээний хил хязгаарыг өөрчилж байна.
I. SPS технологи: Синтерийн хувьсгалт шинэ парадигм
SPS технологи нь импульсийн гүйдэл, механик даралт болон дулааны талбайн синергетик нөлөөгөөр борын карбидыг хурдан нягтруулдаг. Үүний гол зарчим нь:
Плазмын идэвхжил: Импульсийн гүйдэл нь бөөмсийн хоорондох зайд агшин зуурын өндөр температурт плазм үүсгэж, гадаргуугийн ислийг зайлуулж, атомын тархалтыг дэмждэг.
Жоул халаалт ба температурын градиент: Цахилгаан гүйдэл нь бал чулуун хэвээр дамжуулан Жоул халаалт үүсгэдэг бөгөөд температур хурдан өсдөг (600℃/мин хүртэл) бөгөөд нягтралыг хурдасгаж, үр тарианы ургалтыг саатуулдаг температурын градиент үүсгэдэг.
Цахилгаан талбайн тусламжтайгаар тархалт: Цахилгаан талбай нь хайлуулах идэвхжүүлэлтийн энергийг бууруулж, борын карбидыг 1700-2100℃ температурт өндөр нягтралтай (>95%) болгох боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь уламжлалт процессоос 300-500℃ бага юм.
Уламжлалт хайлуулах аргатай харьцуулахад SPS-ээр бэлтгэсэн борын карбид нь илүү нарийн ширхэгтэй (нано-микрон хэмжээс) бөгөөд механик шинж чанар сайтай байдаг. Жишээлбэл, 1600℃ ба 300MPa өндөр даралттай үед SPS-ээр бэлтгэсэн борын карбидын хугарлын бат бөх чанар 5.56MPa・m¹/² хүртэл нэмэгдэж, динамик бат бөх чанар мэдэгдэхүйц сайжирдаг.
II. Технологийн нээлт: Лабораториос аж үйлдвэржилт рүү чиглэсэн гол үсрэлт
1. Параметрийн оновчлол ба бичил бүтцийн хяналт
Температур ба даралтын синерги: Судалгаагаар бага температурт (1700-2000℃) бөөмсийн хил хязгаарын гулсалт нь голчлон нягтралд хүргэдэг бол өндөр температурт (>2000℃) дислокацийн өгсүүр давамгайлдаг болохыг тогтоожээ. Халаалтын хурд болон даралтыг нарийн хянаснаар үр тарианы хэмжээг 4μм-ээс нанометрийн хэмжээс хүртэл нарийн хянаж болно.
Шахалтын туслахуудын шинэлэг хэрэглээ: Al, SiC, графен зэрэг нэмэлтүүдийг нэмэх нь гүйцэтгэлийг улам оновчтой болгож чадна. Жишээлбэл, 1.5% графен (GPLs) агуулсан B4C/SiC/Al олон фазын керамик нь хугарлын бат бөх чанарыг 25.6%, гулзайлтын бат бөх чанарыг 99%-иар нэмэгдүүлдэг.
2. Функциональ байдлаар ангилсан материалыг нэг үе шаттайгаар үйлдвэрлэх
Napo Materials баг анх удаа SPS технологийг ашиглан B4C/Al функциональ зэрэглэлтэй материалыг нэг үе шаттайгаар шатаах ажлыг хийж гүйцэтгэлээ. Энэхүү материал нь цэвэр B4C (хатуулаг 32 GPa)-аас цэвэр Al (хатуулаг 1 GPa) руу градиент шилжилтийг хийж, уламжлалт процесст хайлах цэгийн том ялгаа, хольцын фазууд амархан үүсэх асуудлыг амжилттай шийдвэрлэж, сум нэвтэрдэггүй хуяг болон өндөр дулаан дамжуулалттай нийлмэл материалын шинэ санааг гаргаж байна.
3. Хэт их орчинд гүйцэтгэлийн нээлт
Цөмийн салбарт SPS-ээр бэлтгэсэн B4C нейтрон шингээгч нь 99.9%-ийн цэвэршилттэй бөгөөд цацрагийн маш сайн эсэргүүцэлтэй бөгөөд хог хаягдлыг зайлуулах зардал нь уламжлалт кадми дээр суурилсан материалын өртөгөөс ердөө тавны нэгтэй тэнцүү байна. Агаарын сансрын салбарт бор карбид/хөнгөн цагаан нийлмэл материал нь турбо сэнсний хөдөлгүүрийн тэргүүлэх хамгаалалтын хавтангийн жинг 40%-иар бууруулж, түлшний үр ашгийг 2.3%-иар сайжруулдаг.
III. Салбарын хэтийн төлөв: Их наяд долларын зах зээл дэх шинэ цэнхэр далай
1. Хэрэглээ бүх салбарт цэцэглэн хөгжиж байна.
Батлан хамгаалах болон цэргийн үйлдвэрлэл: АНУ-ын цэргийн Osprey тээврийн онгоц нь B4C нийлмэл хуяг ашигладаг бөгөөд энэ нь жинг 40%-иар бууруулж, уламжлалт ган хуягнаас илүү хамгаалалт өгдөг.
Хагас дамжуулагч ба электроник: Бор карбидын ваферийн үе шатны хавтгай байдлын алдаа < 1μm, EUV литографийн машинуудын хэт өндөр нарийвчлалын шаардлагыг хангасан. Zhihe New Materials-ийн бага температурт хайлуулах технологи нь B4C хайлуулах температурыг 1950℃ хүртэл бууруулж, хагас дамжуулагч өнгөлгөөний дэвсгэрийн салбарт хэрэглэхийг хурдасгадаг.
Шинэ эрчим хүч ба байгаль орчныг хамгаалах: Бор карбидын цорго нь өндөр даралттай элс цацах төхөөрөмжийн ашиглалтын хугацааг 3 сараас 2 жил хүртэл уртасгаж, засвар үйлчилгээний зардлыг 80% -иар бууруулдаг. Тэдгээрийн цөмийн эрчим хүч, нарны зай болон бусад салбарт хэрэглээ нь хурдацтай өргөжиж байна.
2. Зах зээлийн хэмжээ ба бодлогын ногдол ашиг
Дэлхийн борын карбидын зах зээл 2025 онд 180 сая ам.доллараас 2030 онд 320 сая ам.доллар болж өсөх төлөвтэй байгаа бөгөөд энэ нь 9.5%-ийн жилийн дундаж өсөлтийг илэрхийлнэ. Дэлхийн хамгийн том үйлдвэрлэгч болох Хятад улс бодлогын дэмжлэг болон технологийн нээлтүүдийн тусламжтайгаар салбарын тэргүүлэх байр суурийг эзэлж байна.
Оч плазмын хайлуулах (SPCS) технологи нь бор карбидын материалыг лабораториос аж үйлдвэржилт рүү хөтөлж байна. Хатуулаг, дулааны тогтвортой байдал, нейтрон шингээлтийн өндөр үзүүлэлт нь батлан хамгаалах, эрчим хүч, электроникийн салбарт гайхалтай шийдлүүдийг өгдөг. Технологийн дэвшил, бодлогын дэмжлэгтэйгээр энэхүү "хар алмааз" болох бор карбид нь хүн төрөлхтний технологийн дэвшлийг хөдөлгөгч гол материалуудын нэг болох нь дамжиггүй.