Gnistplasmasintring av borkarbid: Et revolusjonerende gjennombrudd innen «svart teknologi» innen tradisjonell sintring.
Innen materialvitenskap,borkarbid (B4C), kjent som «svart diamant» på grunn av sin høye hardhet, lave tetthet, slitestyrke og nøytronabsorpsjonskapasitet, er mye brukt i avanserte felt som skuddsikkert pansring, kjernekraftindustri og luftfart. Tradisjonelle sintringsprosesser (som trykkløs sintring og varmpressing) står imidlertid overfor utfordringer som høye sintringstemperaturer, lange sintringstider og enkel kornforgroving, noe som begrenser ytterligere forbedringer i borkarbidytelse. I de senere år har gnistplasmasintringsteknologi (SPS), med sin lave temperatur, raske hastighet og høye effektivitet, blitt et hett forskningsområde for borkarbid, og omformer bruksgrensene til dette superharde materialet.
I. SPS-teknologi: Et revolusjonerende nytt paradigme for sintring
SPS-teknologi oppnår rask fortetting av borkarbid gjennom den synergistiske effekten av pulserende strøm, mekanisk trykk og termisk felt. Kjerneprinsippet ligger i:
Plasmaaktivering: Pulserende strøm genererer øyeblikkelig høytemperaturplasma i mellompartiklene, fjerner overflateoksider og fremmer atomdiffusjon.
Joule-oppvarming og temperaturgradient: Den elektriske strømmen genererer Joule-oppvarming gjennom grafittformen, og temperaturen stiger raskt (opptil 600 ℃/min), og danner en temperaturgradient som akselererer fortetting og hemmer kornvekst.
Elektrisk feltassistert diffusjon: Det elektriske feltet senker sintringsaktiveringsenergien, slik at borkarbid kan oppnå høy tetthet (>95 %) ved 1700–2100 ℃, som er 300–500 ℃ lavere enn den tradisjonelle prosessen.
Sammenlignet med tradisjonell sintring har borkarbid fremstilt med SPS finere korn (nano- til mikronskala) og overlegne mekaniske egenskaper. For eksempel, ved 1600 ℃ og 300 MPa høyt trykk, økes bruddseigheten til borkarbid fremstilt med SPS til 5,56 MPa・m¹/², og den dynamiske seigheten forbedres betydelig.
II. Teknologisk gjennombrudd: Det viktigste spranget fra laboratorium til industrialisering
1. Parameteroptimalisering og mikrostrukturkontroll
Temperatur- og trykksynergi: Forskning har funnet at ved lave temperaturer (1700–2000 ℃) fører glidning av partikkelgrenser primært til fortetting, mens ved høye temperaturer (>2000 ℃) er dislokasjonsstigning dominerende. Ved å kontrollere oppvarmingshastigheten og trykket nøyaktig, kan kornstørrelsen kontrolleres nøyaktig fra 4 μm til nanometerskalaen.
Innovative anvendelser av sintringshjelpemidler: Tilsetning av tilsetningsstoffer som Al, SiC og grafen kan optimalisere ytelsen ytterligere. For eksempel viser B4C/SiC/Al flerfasekeramikk med 1,5 % grafen (GPL-er) en økning på 25,6 % i bruddseighet og en økning på 99 % i bøyefasthet.
2. Ett-trinns fabrikasjon av funksjonelt graderte materialer
Napo Materials-teamet har for første gang oppnådd ett-trinns sintring av funksjonelt graderte B4C/Al-materialer ved hjelp av SPS-teknologi. Dette materialet oppnår en gradientovergang fra ren B4C (hardhet 32 GPa) til ren Al (hardhet 1 GPa), og løser dermed problemene med store smeltepunktforskjeller og enkel dannelse av urenhetsfaser i tradisjonelle prosesser. Dette gir nye ideer for skuddsikkert pansring og komposittmaterialer med høy varmeledningsevne.
3. Gjennombrudd i ytelse i ekstreme miljøer
I kjernekraftindustrien oppnår SPS-fremstilte B4C-nøytronabsorbenter en renhet på 99,9 %, viser utmerket strålingsmotstand og har avfallskostnader som bare er en femtedel av kostnadene for tradisjonelle kadmiumbaserte materialer. I luftfartsindustrien reduserer borkarbid/aluminium-komposittmaterialer vekten av beskyttelsesplater i turbofanmotorer med 40 % og forbedrer drivstoffeffektiviteten med 2,3 %.
III. Bransjeutsikter: Et nytt blått hav i et billionmarked
1. Søknader blomstrer på tvers av alle felt.
Forsvars- og militærindustri: Det amerikanske militærets Osprey-transportfly bruker B4C-komposittpansring, som reduserer vekten med 40 % og gir bedre beskyttelse enn tradisjonell stålpansring.
Halvledere og elektronikk: Planhetsfeil i borkarbid-wafertrinn < 1μm, som oppfyller de ultrahøye presisjonskravene til EUV-litografimaskiner. Zhihe New Materials' lavtemperatursintringsteknologi reduserer B4C-sintringstemperaturen til 1950 ℃, noe som driver dens anvendelse innen poleringsputer for halvledere.
Ny energi og miljøvern: Borkarbiddyser forlenger levetiden til høytrykkssandblåsingsutstyr fra 3 måneder til 2 år, og reduserer vedlikeholdskostnadene med 80 %. Bruksområdet deres innen kjernekraft, solceller og andre felt er også i rask vekst.
2. Markedsstørrelse og policyutbytte
Det globale markedet for borkarbid forventes å vokse fra 180 millioner dollar i 2025 til 320 millioner dollar i 2030, noe som representerer en årlig vekstrate (CAGR) på 9,5 %. Som verdens største produsent griper Kina bransjens ledende posisjon gjennom politisk støtte og teknologiske gjennombrudd.
Spark plasma sintring (SPCS)-teknologi leder borkarbidmaterialer fra laboratoriet til industrialiseringen. Dens overlegne ytelse innen hardhet, termisk stabilitet og nøytronabsorpsjon gir banebrytende løsninger for forsvar, energi og elektronikk. Med teknologiske fremskritt og politisk støtte vil borkarbid, denne «svarte diamanten», utvilsomt skinne i enda flere bruksområder, og bli et av de viktigste materialene som driver menneskelig teknologisk fremgang.