बोरॉन कार्बाइडचे स्पार्क प्लाझ्मा सिंटरिंग: पारंपारिक सिंटरिंगमध्ये एक क्रांतिकारी "ब्लॅक टेक्नॉलॉजी" यश.
पदार्थ विज्ञानाच्या क्षेत्रात,बोरॉन कार्बाइड (B4C)उच्च कडकपणा, कमी घनता, पोशाख प्रतिरोध आणि न्यूट्रॉन शोषण क्षमतेमुळे "ब्लॅक डायमंड" म्हणून ओळखले जाणारे, बुलेटप्रूफ आर्मर, अणु उद्योग आणि एरोस्पेस सारख्या उच्च-श्रेणीच्या क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते. तथापि, पारंपारिक सिंटरिंग प्रक्रिया (जसे की प्रेशरलेस सिंटरिंग आणि हॉट प्रेसिंग सिंटरिंग) उच्च सिंटरिंग तापमान, दीर्घ सिंटरिंग वेळा आणि सोपे धान्य कोअरसनिंग यासारख्या आव्हानांना तोंड देतात, ज्यामुळे बोरॉन कार्बाइड कामगिरीमध्ये पुढील सुधारणा मर्यादित होतात. अलिकडच्या वर्षांत, स्पार्क प्लाझ्मा सिंटरिंग (SPS) तंत्रज्ञान, त्याच्या कमी तापमान, जलद गती आणि उच्च कार्यक्षमतेसह, बोरॉन कार्बाइडसाठी एक लोकप्रिय संशोधन क्षेत्र बनले आहे, जे या सुपरहार्ड मटेरियलच्या अनुप्रयोग सीमांना आकार देते.
I. एसपीएस तंत्रज्ञान: सिंटरिंगसाठी एक क्रांतिकारी नवीन नमुना
एसपीएस तंत्रज्ञानामुळे स्पंदित प्रवाह, यांत्रिक दाब आणि थर्मल फील्डच्या सहक्रियात्मक परिणामाद्वारे बोरॉन कार्बाइडचे जलद घनीकरण साध्य होते. त्याचे मुख्य तत्व यात आहे:
प्लाझ्मा सक्रियकरण: स्पंदित प्रवाह आंतरकणांच्या अंतरांमध्ये तात्काळ उच्च-तापमानाचा प्लाझ्मा निर्माण करतो, पृष्ठभागावरील ऑक्साइड काढून टाकतो आणि अणु प्रसाराला चालना देतो.
ज्युल हीटिंग आणि तापमान ग्रेडियंट: विद्युत प्रवाह ग्रेफाइट साच्यातून ज्युल हीटिंग निर्माण करतो आणि तापमान वेगाने वाढते (६००℃/मिनिट पर्यंत), ज्यामुळे तापमान ग्रेडियंट तयार होते जे घनतेला गती देते आणि धान्याच्या वाढीस प्रतिबंध करते.
इलेक्ट्रिक फील्ड असिस्टेड डिफ्यूजन: इलेक्ट्रिक फील्ड सिंटरिंग सक्रियकरण ऊर्जा कमी करते, ज्यामुळे बोरॉन कार्बाइड १७००-२१००℃ वर उच्च घनता (>९५%) प्राप्त करू शकते, जे पारंपारिक प्रक्रियेपेक्षा ३००-५००℃ कमी आहे.
पारंपारिक सिंटरिंगच्या तुलनेत, SPS द्वारे तयार केलेल्या बोरॉन कार्बाइडमध्ये बारीक धान्ये (नॅनो ते मायक्रॉन स्केल) आणि उत्कृष्ट यांत्रिक गुणधर्म असतात. उदाहरणार्थ, १६००℃ आणि ३००MPa उच्च दाबावर, SPS द्वारे तयार केलेल्या बोरॉन कार्बाइडची फ्रॅक्चर कडकपणा ५.५६MPa・m¹/² पर्यंत वाढवला जातो आणि गतिमान कडकपणा लक्षणीयरीत्या वाढवला जातो.
II. तांत्रिक प्रगती: प्रयोगशाळेपासून औद्योगिकीकरणापर्यंतची महत्त्वाची झेप
१. पॅरामीटर ऑप्टिमायझेशन आणि मायक्रोस्ट्रक्चर कंट्रोल
तापमान आणि दाबाचा समन्वय: संशोधनात असे आढळून आले आहे की कमी तापमानात (१७००-२०००℃), कणांच्या सीमा सरकण्यामुळे प्रामुख्याने घनता येते, तर उच्च तापमानात (>२०००℃), विस्थापन चढाई प्रबळ असते. हीटिंग रेट आणि दाब अचूकपणे नियंत्रित करून, धान्याचा आकार ४μm पासून नॅनोमीटर स्केलपर्यंत अचूकपणे नियंत्रित केला जाऊ शकतो.
सिंटरिंग एड्सचे नाविन्यपूर्ण अनुप्रयोग: Al, SiC आणि ग्राफीन सारखे अॅडिटीव्ह जोडल्याने कामगिरी आणखी चांगली होऊ शकते. उदाहरणार्थ, १.५% ग्राफीन (GPLs) असलेले B4C/SiC/Al मल्टीफेस सिरेमिक्स फ्रॅक्चर कडकपणामध्ये २५.६% वाढ आणि फ्लेक्सरल स्ट्रेंथमध्ये ९९% वाढ दर्शवतात.
२. कार्यात्मकदृष्ट्या श्रेणीबद्ध केलेल्या साहित्याचे एक-चरण निर्मिती
नेपो मटेरियल्स टीमने पहिल्यांदाच SPS तंत्रज्ञानाचा वापर करून B4C/Al फंक्शनली ग्रेड केलेल्या मटेरियलचे एक-चरण सिंटरिंग साध्य केले आहे. हे मटेरियल शुद्ध B4C (हार्डनेस 32 GPa) पासून शुद्ध Al (हार्डनेस 1 GPa) मध्ये ग्रेडिएंट संक्रमण साध्य करते, पारंपारिक प्रक्रियांमध्ये मोठ्या वितळण्याच्या बिंदूतील फरक आणि अशुद्धता टप्प्यांची सहज निर्मिती या समस्या यशस्वीरित्या सोडवते, बुलेटप्रूफ आर्मर आणि उच्च थर्मल चालकता असलेल्या कंपोझिट मटेरियलसाठी नवीन कल्पना प्रदान करते.
३. अत्यंत वातावरणात कामगिरीतील प्रगती
अणु उद्योगात, SPS-तयार B4C न्यूट्रॉन शोषक 99.9% शुद्धता प्राप्त करतात, उत्कृष्ट रेडिएशन प्रतिरोधकता दर्शवतात आणि पारंपारिक कॅडमियम-आधारित पदार्थांच्या तुलनेत कचरा विल्हेवाट लावण्याची किंमत फक्त एक पंचमांश असते. एरोस्पेस उद्योगात, बोरॉन कार्बाइड/अॅल्युमिनियम संमिश्र पदार्थ टर्बोफॅन इंजिनच्या अग्रगण्य संरक्षण प्लेट्सचे वजन 40% कमी करतात आणि इंधन कार्यक्षमता 2.3% ने सुधारतात.
III. उद्योगाच्या शक्यता: ट्रिलियन डॉलर्सच्या बाजारपेठेत एक नवीन निळा महासागर
१. सर्व क्षेत्रांमध्ये अनुप्रयोगांची भरभराट होत आहे.
संरक्षण आणि लष्करी उद्योग: अमेरिकन सैन्याच्या ऑस्प्रे वाहतूक विमानात B4C कंपोझिट आर्मर वापरला जातो, जो वजन 40% कमी करतो आणि पारंपारिक स्टील आर्मरपेक्षा श्रेष्ठ संरक्षण प्रदान करतो.
सेमीकंडक्टर आणि इलेक्ट्रॉनिक्स: बोरॉन कार्बाइड वेफर स्टेज फ्लॅटनेस एरर < 1μm, EUV लिथोग्राफी मशीनच्या अति-उच्च अचूकता आवश्यकता पूर्ण करते. झीहे न्यू मटेरियल्सची कमी-तापमान सिंटरिंग तंत्रज्ञान B4C सिंटरिंग तापमान 1950℃ पर्यंत कमी करते, ज्यामुळे सेमीकंडक्टर पॉलिशिंग पॅड फील्डमध्ये त्याचा वापर वाढतो.
नवीन ऊर्जा आणि पर्यावरण संरक्षण: बोरॉन कार्बाइड नोझल्स उच्च-दाब सँडब्लास्टिंग उपकरणांचे आयुष्य 3 महिन्यांपासून 2 वर्षांपर्यंत वाढवतात, ज्यामुळे देखभाल खर्च 80% कमी होतो. अणुऊर्जा, सौर पेशी आणि इतर क्षेत्रात त्यांचा वापर देखील वेगाने वाढत आहे.
२. बाजार आकार आणि धोरण लाभांश
जागतिक बोरॉन कार्बाइड बाजारपेठ २०२५ मध्ये १८० दशलक्ष डॉलर्सवरून २०३० मध्ये ३२० दशलक्ष डॉलर्सपर्यंत वाढण्याचा अंदाज आहे, जो ९.५% च्या सीएजीआरचे प्रतिनिधित्व करतो. जगातील सर्वात मोठा उत्पादक म्हणून, चीन धोरणात्मक समर्थन आणि तांत्रिक प्रगतीद्वारे उद्योगातील आघाडीचे स्थान काबीज करत आहे.
स्पार्क प्लाझ्मा सिंटरिंग (SPCS) तंत्रज्ञान बोरॉन कार्बाइड पदार्थांना प्रयोगशाळेपासून औद्योगिकीकरणाकडे नेत आहे. कडकपणा, थर्मल स्थिरता आणि न्यूट्रॉन शोषणातील त्याची उत्कृष्ट कामगिरी संरक्षण, ऊर्जा आणि इलेक्ट्रॉनिक्ससाठी विघटनकारी उपाय प्रदान करते. तांत्रिक प्रगती आणि धोरणात्मक समर्थनासह, बोरॉन कार्बाइड, हा "काळा हिरा", निःसंशयपणे आणखी अनुप्रयोगांमध्ये चमकेल, मानवी तांत्रिक प्रगतीला चालना देणाऱ्या प्रमुख सामग्रींपैकी एक बनेल.