Синтеровање бор карбида искровом плазмом: Револуционарни пробој „црне технологије“ у традиционалном синтеровању.
У области науке о материјалима,бор карбид (B4C), познат као „црни дијамант“ због своје високе тврдоће, ниске густине, отпорности на хабање и капацитета апсорпције неутрона, широко се користи у врхунским областима као што су непробојни оклоп, нуклеарна индустрија и ваздухопловство. Међутим, традиционални процеси синтеровања (као што су синтеровање без притиска и синтеровање врућим пресовањем) суочавају се са изазовима као што су високе температуре синтеровања, дуго време синтеровања и лако грубљење зрна, што ограничава даља побољшања перформанси бор карбида. Последњих година, технологија синтеровања искрном плазмом (SPS), са својом ниском температуром, великом брзином и високом ефикасношћу, постала је вруће подручје истраживања за бор карбид, мењајући границе примене овог супертврдог материјала.
I. SPS технологија: Револуционарна нова парадигма за синтеровање
SPS технологија постиже брзо згушњавање бор карбида кроз синергијски ефекат импулсне струје, механичког притиска и термичког поља. Њен основни принцип лежи у:
Активација плазме: Пулсирајућа струја генерише тренутну плазму високе температуре у међучестичним процепима, уклањајући површинске оксиде и подстичући атомску дифузију.
Џулово загревање и температурни градијент: Електрична струја генерише Џулово загревање кроз графитни калуп, а температура брзо расте (до 600 ℃/мин), формирајући температурни градијент који убрзава згушњавање и инхибира раст зрна.
Дифузија потпомогнута електричним пољем: Електрично поље смањује енергију активације синтеровања, омогућавајући боровом карбиду да постигне високу густину (>95%) на 1700-2100℃, што је 300-500℃ ниже него код традиционалног поступка.
У поређењу са традиционалним синтеровањем, бор карбид припремљен SPS-ом има финија зрна (нано до микронске скале) и супериорна механичка својства. На пример, на 1600℃ и високом притиску од 300MPa, жилавост лома бор карбида припремљеног SPS-ом је повећана на 5,56MPa·m¹/², а динамичка жилавост је значајно побољшана.
II. Технолошки пробој: Кључни скок од лабораторије до индустријализације
1. Оптимизација параметара и контрола микроструктуре
Синергија температуре и притиска: Истраживања су показала да на ниским температурама (1700-2000℃), клизање по границама честица првенствено доводи до згушњавања, док је на високим температурама (>2000℃) доминантно пењање дислокација. Прецизном контролом брзине загревања и притиска, величина зрна се може прецизно контролисати од 4μm до нанометарске скале.
Иновативне примене помоћних средстава за синтеровање: Додавање адитива као што су Al, SiC и графен може додатно оптимизовати перформансе. На пример, вишефазна керамика B4C/SiC/Al са 1,5% графена (GPL) показује повећање жилавости на лом од 25,6% и повећање чврстоће на савијање од 99%.
2. Једностепена израда функционално градираних материјала
Тим компаније Napo Materials је први пут постигао једностепено синтеровање функционално градираних материјала B4C/Al користећи SPS технологију. Овај материјал постиже градијентни прелаз из чистог B4C (тврдоћа 32 GPa) у чисти Al (тврдоћа 1 GPa), успешно решавајући проблеме великих разлика у тачкама топљења и лаког формирања нечистоћа у традиционалним процесима, пружајући нове идеје за отпорни оклоп и композитне материјале високе топлотне проводљивости.
3. Пробој у перформансама у екстремним условима
У нуклеарној индустрији, неутронски апсорбери B4C припремљени SPS-ом постижу чистоћу од 99,9%, показују одличну отпорност на зрачење и имају трошкове одлагања отпада који су само једна петина трошкова традиционалних материјала на бази кадмијума. У ваздухопловној индустрији, композитни материјали од бор карбида/алуминијума смањују тежину заштитних плоча предње ивице турбовентилаторских мотора за 40% и побољшавају ефикасност горива за 2,3%.
III. Перспективе индустрије: Нови плави океан на тржишту вредном трилиона долара
1. Примене цветају у свим областима.
Одбрамбена и војна индустрија: Транспортни авион Оспреј америчке војске користи композитни оклоп B4C, који смањује тежину за 40% и пружа заштиту супериорнију од традиционалног челичног оклопа.
Полупроводници и електроника: Грешка равности подлоге бор-карбидних плочица < 1μm, што испуњава захтеве ултра-високе прецизности EUV литографских машина. Технологија синтеровања на ниским температурама компаније Zhihe New Materials смањује температуру синтеровања B4C на 1950℃, што подстиче њену примену у области полирања полупроводника.
Нова енергија и заштита животне средине: Млазнице од бор-карбида продужавају век трајања опреме за пескарење под високим притиском са 3 месеца на 2 године, смањујући трошкове одржавања за 80%. Њихова примена у нуклеарној енергији, соларним ћелијама и другим областима се такође брзо шири.
2. Величина тржишта и дивиденде политике
Пројектовано је да ће глобално тржиште бор карбида порасти са 180 милиона долара у 2025. години на 320 милиона долара у 2030. години, што представља сложену годишњу стопу раста од 9,5%. Као највећи светски произвођач, Кина преузима водећу позицију у индустрији захваљујући политичкој подршци и технолошким продорима.
Технологија синтеровања искрном плазмом (SPCS) води бор-карбидне материјале од лабораторије до индустријализације. Његове супериорне перформансе у тврдоћи, термичкој стабилности и апсорпцији неутрона пружају револуционарна решења за одбрану, енергетику и електронику. Са технолошким напретком и подршком политике, бор-карбид, овај „црни дијамант“, несумњиво ће блистати у још већем броју примена, постајући један од кључних материјала који покрећу технолошки напредак човечанства.