Sintering plasma percikan boron karbida: Satu kejayaan "teknologi hitam" revolusioner dalam sintering tradisional.
Dalam bidang sains bahan,boron karbida (B4C), yang dikenali sebagai "berlian hitam" kerana kekerasannya yang tinggi, ketumpatan rendah, rintangan haus dan kapasiti penyerapan neutron, digunakan secara meluas dalam bidang mewah seperti perisai kalis peluru, industri nuklear dan aeroangkasa. Walau bagaimanapun, proses pensinteran tradisional (seperti pensinteran tanpa tekanan dan pensinteran tekan panas) menghadapi cabaran seperti suhu pensinteran yang tinggi, masa pensinteran yang panjang dan pengasaran butiran yang mudah, mengehadkan penambahbaikan selanjutnya dalam prestasi boron karbida. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, teknologi pensinteran plasma percikan api (SPS), dengan suhu rendah, kelajuan pantas dan kecekapan yang tinggi, telah menjadi kawasan penyelidikan hangat untuk boron karbida, membentuk semula sempadan aplikasi bahan super keras ini.
I. Teknologi SPS: Paradigma Baharu Revolusioner untuk Pensinteran
Teknologi SPS mencapai pemadatan boron karbida yang pantas melalui kesan sinergi arus berdenyut, tekanan mekanikal dan medan terma. Prinsip terasnya terletak pada:
Pengaktifan plasma: Arus berdenyut menghasilkan plasma suhu tinggi serta-merta dalam jurang antara zarah, menyingkirkan oksida permukaan dan menggalakkan resapan atom.
Pemanasan joule dan kecerunan suhu: Arus elektrik menghasilkan pemanasan Joule melalui acuan grafit, dan suhu meningkat dengan cepat (sehingga 600℃/min), membentuk kecerunan suhu yang mempercepatkan pemadatan dan menghalang pertumbuhan butiran.
Difusi Berbantukan Medan Elektrik: Medan elektrik menurunkan tenaga pengaktifan pensinteran, membolehkan boron karbida mencapai ketumpatan tinggi (>95%) pada 1700-2100℃, iaitu 300-500℃ lebih rendah daripada proses tradisional.
Berbanding dengan sintering tradisional, boron karbida yang disediakan oleh SPS mempunyai butiran yang lebih halus (skala nano hingga mikron) dan sifat mekanikal yang unggul. Contohnya, pada tekanan tinggi 1600℃ dan 300MPa, ketahanan patah boron karbida yang disediakan oleh SPS meningkat kepada 5.56MPa・m¹/², dan ketahanan dinamik dipertingkatkan dengan ketara.
II. Kejayaan Teknologi: Lonjakan Utama dari Makmal ke Perindustrian
1. Pengoptimuman Parameter dan Kawalan Mikrostruktur
Sinergi Suhu dan Tekanan: Kajian mendapati bahawa pada suhu rendah (1700-2000℃), gelongsoran sempadan zarah terutamanya membawa kepada pemadatan, manakala pada suhu tinggi (>2000℃), pendakian kehelan adalah dominan. Dengan mengawal kadar pemanasan dan tekanan dengan tepat, saiz butiran boleh dikawal dengan tepat dari 4μm hingga skala nanometer.
Aplikasi Inovatif Alat Bantu Sintering: Menambah bahan tambahan seperti Al, SiC dan graphene dapat mengoptimumkan prestasi dengan lebih lanjut. Contohnya, seramik berbilang fasa B4C/SiC/Al dengan 1.5% graphene (GPL) menunjukkan peningkatan 25.6% dalam keliatan patah dan peningkatan 99% dalam kekuatan lenturan.
2. Fabrikasi satu langkah bahan yang digredkan secara berfungsi
Pasukan Napo Materials telah mencapai, buat pertama kalinya, pensinteran satu langkah bahan B4C/Al yang digredkan secara berfungsi menggunakan teknologi SPS. Bahan ini mencapai peralihan kecerunan daripada B4C tulen (kekerasan 32 GPa) kepada Al tulen (kekerasan 1 GPa), berjaya menyelesaikan masalah perbezaan takat lebur yang besar dan pembentukan fasa bendasing yang mudah dalam proses tradisional, memberikan idea baharu untuk perisai kalis peluru dan bahan komposit kekonduksian terma yang tinggi.
3. Kejayaan Prestasi dalam Persekitaran Ekstrem
Dalam industri nuklear, penyerap neutron B4C yang disediakan SPS mencapai ketulenan 99.9%, mempamerkan rintangan sinaran yang sangat baik dan mempunyai kos pelupusan sisa yang hanya satu perlima daripada bahan berasaskan kadmium tradisional. Dalam industri aeroangkasa, bahan komposit boron karbida/aluminium mengurangkan berat plat perlindungan canggih enjin turbofan sebanyak 40% dan meningkatkan kecekapan bahan api sebanyak 2.3%.
III. Prospek Industri: Lautan Biru Baharu dalam Pasaran Trilion Dolar
1. Aplikasi semakin berkembang pesat merentasi semua bidang.
Industri Pertahanan dan Ketenteraan: Pesawat pengangkutan Osprey tentera AS menggunakan perisai komposit B4C, yang mengurangkan berat sebanyak 40% dan memberikan perlindungan yang lebih baik daripada perisai keluli tradisional.
Semikonduktor dan Elektronik: Ralat kerataan peringkat wafer boron karbida < 1μm, memenuhi keperluan ketepatan ultra tinggi mesin litografi EUV. Teknologi pensinteran suhu rendah Zhihe New Materials mengurangkan suhu pensinteran B4C kepada 1950℃, memacu aplikasinya dalam bidang pad penggilap semikonduktor.
Tenaga Baharu dan Perlindungan Alam Sekitar: Muncung boron karbida memanjangkan jangka hayat peralatan letupan pasir bertekanan tinggi dari 3 bulan hingga 2 tahun, mengurangkan kos penyelenggaraan sebanyak 80%. Aplikasinya dalam tenaga nuklear, sel suria dan bidang lain juga berkembang pesat.
2. Saiz Pasaran dan Dividen Dasar
Pasaran boron karbida global diunjurkan berkembang daripada $180 juta pada tahun 2025 kepada $320 juta pada tahun 2030, mewakili CAGR sebanyak 9.5%. Sebagai pengeluar terbesar di dunia, China sedang merebut kedudukan utama industri melalui sokongan dasar dan kejayaan teknologi.
Teknologi pensinteran plasma percikan (SPCS) menerajui bahan boron karbida daripada makmal kepada perindustrian. Prestasi unggulnya dalam kekerasan, kestabilan terma dan penyerapan neutron menyediakan penyelesaian disruptif untuk pertahanan, tenaga dan elektronik. Dengan kemajuan teknologi dan sokongan dasar, boron karbida, "berlian hitam" ini, pasti akan bersinar dalam lebih banyak aplikasi, menjadi salah satu bahan utama yang memacu kemajuan teknologi manusia.