Vonkplasmasinteren van boorcarbide: een revolutionaire doorbraak in de traditionele sintertechniek dankzij 'zwarte technologie'.
Op het gebied van materiaalkunde,boorcarbide (B4C)Boorcarbide, ook wel bekend als "zwarte diamant" vanwege zijn hoge hardheid, lage dichtheid, slijtvastheid en neutronenabsorptievermogen, wordt veelvuldig gebruikt in hoogwaardige toepassingen zoals kogelwerende vesten, de nucleaire industrie en de ruimtevaart. Traditionele sinterprocessen (zoals drukvrij sinteren en warmperssinteren) kennen echter uitdagingen zoals hoge sintertemperaturen, lange sintertijden en snelle korrelgroei, waardoor verdere verbetering van de prestaties van boorcarbide wordt beperkt. De laatste jaren is de vonkplasmasintertechnologie (SPS), met zijn lage temperatuur, hoge snelheid en hoge efficiëntie, een belangrijk onderzoeksgebied geworden voor boorcarbide, waardoor de toepassingsmogelijkheden van dit superharde materiaal worden verlegd.
I. SPS-technologie: een revolutionair nieuw paradigma voor sinteren
SPS-technologie maakt een snelle verdichting van boorkarbide mogelijk door het synergetische effect van gepulseerde stroom, mechanische druk en een thermisch veld. Het kernprincipe hiervan is:
Plasma-activering: Gepulseerde stroom genereert onmiddellijk een plasma met hoge temperatuur in de tussenruimten tussen de deeltjes, waardoor oppervlakteoxiden worden verwijderd en atomaire diffusie wordt bevorderd.
Joule-verwarming en temperatuurgradiënt: De elektrische stroom genereert Joule-verwarming door de grafietmal, waardoor de temperatuur snel stijgt (tot 600℃/min). Dit vormt een temperatuurgradiënt die de verdichting versnelt en korrelgroei remt.
Diffusie met behulp van een elektrisch veld: Het elektrische veld verlaagt de activeringsenergie voor het sinteren, waardoor boorkarbide een hoge dichtheid (>95%) kan bereiken bij 1700-2100℃, wat 300-500℃ lager is dan bij het traditionele proces.
Vergeleken met traditioneel sinteren heeft boorcarbide dat is bereid met behulp van SPS fijnere korrels (op nano- tot micronschaal) en superieure mechanische eigenschappen. Zo neemt de breuktaaiheid van boorcarbide dat met SPS is bereid bij 1600 °C en een hoge druk van 300 MPa toe tot 5,56 MPa·m¹/², en wordt de dynamische taaiheid aanzienlijk verbeterd.
II. Technologische doorbraak: De cruciale sprong van laboratorium naar industrialisatie
1. Parameteroptimalisatie en microstructuurcontrole
Synergie tussen temperatuur en druk: Onderzoek heeft aangetoond dat bij lage temperaturen (1700-2000℃) de verschuiving van deeltjesgrenzen voornamelijk leidt tot verdichting, terwijl bij hoge temperaturen (>2000℃) dislocatieklimmen dominant is. Door de verwarmingssnelheid en de druk nauwkeurig te regelen, kan de korrelgrootte precies worden gecontroleerd, van 4 μm tot op nanometerschaal.
Innovatieve toepassingen van sinterhulpmiddelen: Door toevoeging van additieven zoals Al, SiC en grafeen kunnen de prestaties verder worden geoptimaliseerd. Zo vertonen B4C/SiC/Al meerfasige keramiek met 1,5% grafeen (GPL's) een toename van 25,6% in breuktaaiheid en een toename van 99% in buigsterkte.
2. Fabricage in één stap van functioneel gegradeerde materialen
Het team van Napo Materials is er als eerste in geslaagd om functioneel gegradeerde B4C/Al-materialen in één stap te sinteren met behulp van SPS-technologie. Dit materiaal vertoont een gradiëntovergang van puur B4C (hardheid 32 GPa) naar puur Al (hardheid 1 GPa), waarmee de problemen van grote smeltpuntverschillen en de gemakkelijke vorming van onzuiverheden in traditionele processen succesvol worden opgelost. Dit biedt nieuwe mogelijkheden voor kogelwerende vesten en composietmaterialen met een hoge thermische geleidbaarheid.
3. Prestatiedoorbraak in extreme omstandigheden
In de nucleaire industrie bereiken met SPS geprepareerde B4C-neutronenabsorbers een zuiverheid van 99,9%, vertonen ze een uitstekende stralingsbestendigheid en hebben ze afvalverwerkingskosten die slechts een vijfde zijn van die van traditionele materialen op basis van cadmium. In de lucht- en ruimtevaartindustrie verminderen composietmaterialen van boorkarbide en aluminium het gewicht van beschermplaten aan de voorrand van turbofanmotoren met 40% en verbeteren ze de brandstofefficiëntie met 2,3%.
III. Vooruitzichten voor de sector: een nieuwe blauwe oceaan in een markt van biljoenen dollars
1. Het aantal aanvragen neemt in alle sectoren sterk toe.
Defensie en militaire industrie: Het Osprey-transportvliegtuig van het Amerikaanse leger maakt gebruik van B4C-composietpantser, dat het gewicht met 40% vermindert en een betere bescherming biedt dan traditioneel stalen pantser.
Halfgeleiders en elektronica: De vlakheidsfout van de boorcarbide wafer-stage is < 1 μm, waarmee voldaan wordt aan de ultra-hoge precisie-eisen van EUV-lithografiemachines. De lage-temperatuur sintertechnologie van Zhihe New Materials verlaagt de B4C-sintertemperatuur tot 1950 °C, waardoor het materiaal toepasbaar is in de halfgeleiderpolijstmarkt.
Nieuwe energie en milieubescherming: Boorcarbide-sproeiers verlengen de levensduur van hogedrukstraalapparatuur van 3 maanden tot 2 jaar en verlagen de onderhoudskosten met 80%. Ook de toepassing ervan in kernenergie, zonnecellen en andere sectoren breidt zich snel uit.
2. Marktomvang en beleidsdividenden
De wereldwijde markt voor boorcarbide zal naar verwachting groeien van 180 miljoen dollar in 2025 tot 320 miljoen dollar in 2030, wat neerkomt op een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 9,5%. Als 's werelds grootste producent verovert China de leidende positie in de sector door middel van beleidsondersteuning en technologische doorbraken.
Spark plasma sintering (SPCS) technologie brengt boorkarbidematerialen van het laboratorium naar de industriële markt. De superieure prestaties op het gebied van hardheid, thermische stabiliteit en neutronenabsorptie bieden baanbrekende oplossingen voor defensie, energie en elektronica. Met technologische vooruitgang en beleidsondersteuning zal boorkarbide, deze "zwarte diamant", ongetwijfeld in nog meer toepassingen schitteren en uitgroeien tot een van de belangrijkste materialen die de technologische vooruitgang van de mensheid aandrijven.