Sintranje borovega karbida z iskro plazmo: revolucionarni preboj "črne tehnologije" v tradicionalnem sintranju.
Na področju znanosti o materialih,borov karbid (B4C), znan kot "črni diamant" zaradi svoje visoke trdote, nizke gostote, odpornosti proti obrabi in sposobnosti absorpcije nevtronov, se pogosto uporablja na vrhunskih področjih, kot so neprebojni oklepi, jedrska industrija in vesoljska industrija. Vendar pa se tradicionalni postopki sintranja (kot sta sintranje brez tlaka in sintranje z vročim stiskanjem) soočajo z izzivi, kot so visoke temperature sintranja, dolgi časi sintranja in enostavno grobljenje zrn, kar omejuje nadaljnje izboljšave učinkovitosti borovega karbida. V zadnjih letih je tehnologija sintranja z iskrenjem in plazmo (SPS) s svojo nizko temperaturo, veliko hitrostjo in visoko učinkovitostjo postala vroče raziskovalno področje za borov karbid, kar je preoblikovalo meje uporabe tega supertrdega materiala.
I. Tehnologija SPS: revolucionarna nova paradigma za sintranje
Tehnologija SPS doseže hitro zgoščevanje borovega karbida s sinergijskim učinkom pulznega toka, mehanskega tlaka in toplotnega polja. Njeno osnovno načelo je v:
Aktivacija plazme: Pulzni tok ustvari takojšnjo visokotemperaturno plazmo v meddelčnih režah, ki odstranjuje površinske okside in spodbuja atomsko difuzijo.
Joulovo segrevanje in temperaturni gradient: Električni tok ustvarja Joulovo segrevanje skozi grafitni kalup, temperatura pa hitro narašča (do 600 ℃/min), kar tvori temperaturni gradient, ki pospešuje zgoščevanje in zavira rast zrn.
Difuzija s pomočjo električnega polja: Električno polje zniža aktivacijsko energijo sintranja, kar omogoča, da borov karbid doseže visoko gostoto (> 95 %) pri 1700–2100 ℃, kar je 300–500 ℃ manj kot pri tradicionalnem postopku.
V primerjavi s tradicionalnim sintranjem ima borov karbid, pripravljen s SPS, finejša zrna (od nano do mikronskega merila) in boljše mehanske lastnosti. Na primer, pri 1600 ℃ in visokem tlaku 300 MPa se lomna žilavost borovega karbida, pripravljenega s SPS, poveča na 5,56 MPa·m¹/², dinamična žilavost pa se znatno izboljša.
II. Tehnološki preboj: ključni preskok od laboratorija do industrializacije
1. Optimizacija parametrov in nadzor mikrostrukture
Sinergija temperature in tlaka: Raziskave so pokazale, da pri nizkih temperaturah (1700–2000 ℃) drsenje po mejah delcev vodi predvsem do zgoščevanja, medtem ko pri visokih temperaturah (> 2000 ℃) prevladuje vzpon dislokacij. Z natančnim nadzorom hitrosti segrevanja in tlaka je mogoče natančno nadzorovati velikost zrn od 4 μm do nanometrske lestvice.
Inovativna uporaba pomožnih snovi za sintranje: Dodajanje dodatkov, kot so Al, SiC in grafen, lahko dodatno optimizira delovanje. Na primer, večfazna keramika B4C/SiC/Al z 1,5 % grafena (GPL) kaže 25,6-odstotno povečanje lomne žilavosti in 99-odstotno povečanje upogibne trdnosti.
2. Enostopenjska izdelava funkcionalno stopnjevanih materialov
Ekipa Napo Materials je prvič dosegla enostopenjsko sintranje funkcionalno stopnjevanih materialov B4C/Al z uporabo tehnologije SPS. Ta material doseže gradientni prehod iz čistega B4C (trdota 32 GPa) v čisti Al (trdota 1 GPa), s čimer uspešno reši težave velikih razlik v tališču in enostavnega nastajanja nečistočnih faz v tradicionalnih postopkih, kar ponuja nove ideje za neprebojne oklepe in kompozitne materiale z visoko toplotno prevodnostjo.
3. Preboj v zmogljivosti v ekstremnih okoljih
V jedrski industriji nevtronski absorberji B4C, pripravljeni s SPS, dosegajo čistost 99,9 %, kažejo odlično odpornost proti sevanju in imajo stroške odstranjevanja odpadkov, ki so le petino stroškov tradicionalnih materialov na osnovi kadmija. V letalski in vesoljski industriji kompozitni materiali iz borovega karbida in aluminija zmanjšajo težo zaščitnih plošč na sprednjem robu turboventilatorskih motorjev za 40 % in izboljšajo učinkovitost porabe goriva za 2,3 %.
III. Obeti industrije: nov modri ocean na bilijonskem trgu
1. Aplikacije cvetijo na vseh področjih.
Obrambna in vojaška industrija: Transportno letalo Osprey ameriške vojske uporablja kompozitni oklep B4C, ki zmanjša težo za 40 % in zagotavlja boljšo zaščito kot tradicionalni jekleni oklep.
Polprevodniki in elektronika: Napaka ravnosti plošče borovega karbida < 1 μm, kar izpolnjuje zahteve glede ultra visoke natančnosti za litografske stroje EUV. Tehnologija sintranja pri nizkih temperaturah podjetja Zhihe New Materials znižuje temperaturo sintranja B4C na 1950 ℃, kar spodbuja njeno uporabo na področju poliranja polprevodnikov.
Nova energija in varstvo okolja: Šobe iz borovega karbida podaljšajo življenjsko dobo opreme za peskanje pod visokim tlakom s 3 mesecev na 2 leti, kar zmanjša stroške vzdrževanja za 80 %. Njihova uporaba v jedrski energiji, sončnih celicah in drugih področjih se prav tako hitro širi.
2. Velikost trga in dividende politik
Predvideva se, da se bo svetovni trg borovega karbida povečal s 180 milijonov dolarjev leta 2025 na 320 milijonov dolarjev leta 2030, kar predstavlja 9,5-odstotno letno stopnjo rasti. Kitajska kot največji svetovni proizvajalec s politično podporo in tehnološkimi preboji prevzema vodilni položaj v industriji.
Tehnologija sintranja z iskrenjem in plazmo (SPCS) vodi materiale iz borovega karbida od laboratorijev do industrializacije. Njegova vrhunska trdota, toplotna stabilnost in absorpcija nevtronov zagotavljajo prelomne rešitve za obrambo, energetiko in elektroniko. S tehnološkim napredkom in politično podporo bo borov karbid, ta »črni diamant«, nedvomno zasijal v še več aplikacijah in postal eden ključnih materialov, ki gonijo tehnološki napredek človeštva.