Gnistplasmasintring av borkarbid: Ett revolutionerande genombrott inom "svart teknologi" inom traditionell sintring.
Inom materialvetenskap,borkarbid (B4C), känd som "svart diamant" på grund av sin höga hårdhet, låga densitet, slitstyrka och neutronabsorptionskapacitet, används ofta inom avancerade områden som skottsäkert pansar, kärnkraftsindustrin och flyg- och rymdindustrin. Traditionella sintringsprocesser (såsom trycklös sintring och varmpressning) står dock inför utmaningar som höga sintringstemperaturer, långa sintringstider och enkel kornförgrovning, vilket begränsar ytterligare förbättringar av borkarbids prestanda. Under senare år har gnistplasmasintringsteknik (SPS), med sin låga temperatur, snabba hastighet och höga effektivitet, blivit ett hett forskningsområde för borkarbid, vilket omformat tillämpningsgränserna för detta superhårda material.
I. SPS-teknik: Ett revolutionerande nytt paradigm för sintring
SPS-tekniken uppnår snabb förtätning av borkarbid genom den synergistiska effekten av pulserad ström, mekaniskt tryck och termiskt fält. Dess kärnprincip ligger i:
Plasmaaktivering: Pulserad ström genererar omedelbar högtemperaturplasma i mellanrummen mellan partiklarna, vilket avlägsnar ytoxider och främjar atomdiffusion.
Joule-uppvärmning och temperaturgradient: Den elektriska strömmen genererar Joule-uppvärmning genom grafitformen, och temperaturen stiger snabbt (upp till 600 ℃/min), vilket bildar en temperaturgradient som accelererar förtätningen och hämmar korntillväxt.
Elektriskt fältassisterad diffusion: Det elektriska fältet sänker sintringsaktiveringsenergin, vilket gör att borkarbid kan uppnå hög densitet (>95%) vid 1700-2100 ℃, vilket är 300-500 ℃ lägre än den traditionella processen.
Jämfört med traditionell sintring har borkarbid framställd med SPS finare korn (nano- till mikronskala) och överlägsna mekaniska egenskaper. Till exempel, vid 1600 ℃ och 300 MPa högt tryck, ökar brottsegheten hos borkarbid framställd med SPS till 5,56 MPa・m¹/², och den dynamiska segheten förbättras avsevärt.
II. Teknologiskt genombrott: Det viktigaste steget från laboratorium till industrialisering
1. Parameteroptimering och mikrostrukturkontroll
Temperatur- och trycksynergi: Forskning har visat att vid låga temperaturer (1700-2000 ℃) leder glidning av partikelgränser främst till förtätning, medan vid höga temperaturer (>2000 ℃) är dislokationsstigning dominerande. Genom att exakt kontrollera uppvärmningshastigheten och trycket kan kornstorleken kontrolleras noggrant från 4 μm till nanometerskalan.
Innovativa tillämpningar av sintringshjälpmedel: Tillsats av tillsatser som Al, SiC och grafen kan ytterligare optimera prestandan. Till exempel visar B4C/SiC/Al flerfaskeramer med 1,5 % grafen (GPL) en ökning av brottseghet på 25,6 % och en ökning av böjhållfasthet på 99 %.
2. Tillverkning av funktionellt graderade material i ett steg
Napo Materials-teamet har för första gången uppnått enstegssintring av funktionellt graderade B4C/Al-material med hjälp av SPS-teknik. Detta material uppnår en gradientövergång från ren B4C (hårdhet 32 GPa) till ren Al (hårdhet 1 GPa), vilket framgångsrikt löser problemen med stora smältpunktsskillnader och enkel bildning av föroreningsfaser i traditionella processer, vilket ger nya idéer för skottsäkert pansar och kompositmaterial med hög värmeledningsförmåga.
3. Genombrott i prestanda i extrema miljöer
Inom kärnkraftsindustrin uppnår SPS-framställda B4C-neutronabsorbenter en renhet på 99,9 %, uppvisar utmärkt strålningsbeständighet och har avfallshanteringskostnader som bara är en femtedel av de för traditionella kadmiumbaserade material. Inom flygindustrin minskar borkarbid/aluminium-kompositmaterial vikten på turbofläktmotorers framkantskyddsplåtar med 40 % och förbättrar bränsleeffektiviteten med 2,3 %.
III. Branschutsikter: Ett nytt blått hav på en biljondollarmarknad
1. Applikationer blomstrar inom alla områden.
Försvars- och militärindustrin: Den amerikanska militärens Osprey-transportflygplan använder B4C-kompositpansar, vilket minskar vikten med 40 % och ger ett överlägset skydd jämfört med traditionellt stålpansar.
Halvledare och elektronik: Borkarbidskivornas planhetsfel < 1 μm, vilket uppfyller de ultrahöga precisionskraven för EUV-litografimaskiner. Zhihe New Materials lågtemperatursintringsteknik sänker B4C-sintringstemperaturen till 1950 ℃, vilket driver dess tillämpning inom området för poleringsdynor för halvledare.
Ny energi och miljöskydd: Munstycken av borkarbid förlänger livslängden för högtryckssandblästringsutrustning från 3 månader till 2 år, vilket minskar underhållskostnaderna med 80 %. Deras tillämpningar inom kärnenergi, solceller och andra områden expanderar också snabbt.
2. Marknadsstorlek och utdelningar enligt policy
Den globala marknaden för borkarbid förväntas växa från 180 miljoner dollar år 2025 till 320 miljoner dollar år 2030, vilket motsvarar en årlig tillväxttakt (CAGR) på 9,5 %. Som världens största producent tar Kina branschens ledande position genom politiskt stöd och tekniska genombrott.
Spark plasma sintring (SPCS)-teknik leder borkarbidmaterial från laboratoriet till industrialiseringen. Dess överlägsna prestanda vad gäller hårdhet, termisk stabilitet och neutronabsorption ger banbrytande lösningar för försvar, energi och elektronik. Med tekniska framsteg och politiskt stöd kommer borkarbid, denna "svarta diamant", utan tvekan att lysa i ännu fler tillämpningar och bli ett av de viktigaste materialen som driver mänsklighetens tekniska framsteg.