Kuungua kwa spark plasma ya kabidi ya boroni: Mafanikio ya mapinduzi ya "teknolojia nyeusi" katika uungua wa kitamaduni.
Katika uwanja wa sayansi ya vifaa,kabidi ya boroni (B4C), inayojulikana kama "almasi nyeusi" kutokana na ugumu wake wa juu, msongamano mdogo, upinzani wa uchakavu, na uwezo wa kunyonya neutroni, hutumika sana katika nyanja za hali ya juu kama vile silaha zisizo na risasi, tasnia ya nyuklia, na anga za juu. Hata hivyo, michakato ya kitamaduni ya kuchomwa moto (kama vile kuchomwa moto bila shinikizo na kuchomwa moto) inakabiliwa na changamoto kama vile halijoto ya juu ya kuchomwa moto, nyakati ndefu za kuchomwa moto, na uchakavu rahisi wa nafaka, na kupunguza maboresho zaidi katika utendaji wa kabidi ya boroni. Katika miaka ya hivi karibuni, teknolojia ya kuchomwa moto kwa plasma (SPS), yenye halijoto ya chini, kasi ya haraka, na ufanisi mkubwa, imekuwa eneo la utafiti wa moto kwa kabidi ya boroni, na kuunda upya mipaka ya matumizi ya nyenzo hii ngumu sana.
I. Teknolojia ya SPS: Kigezo Kipya cha Mapinduzi cha Kuchoma Silaha
Teknolojia ya SPS inafanikisha msongamano wa haraka wa kabidi ya boroni kupitia athari ya ushirikiano wa mkondo wa mapigo, shinikizo la mitambo, na uwanja wa joto. Kanuni yake kuu iko katika:
Uanzishaji wa plasma: Mkondo wa mapigo hutoa plasma ya joto la juu papo hapo katika mapengo ya kati ya chembe, ikiondoa oksidi za uso na kukuza uenezaji wa atomiki.
Joule inapokanzwa na mteremko wa halijoto: Mkondo wa umeme hutoa mteremko wa Joule kupitia ukungu wa grafiti, na halijoto huongezeka haraka (hadi 600℃/min), na kutengeneza mteremko wa halijoto unaoharakisha msongamano na kuzuia ukuaji wa nafaka.
Usambazaji Unaosaidiwa na Uga wa Umeme: Uga wa umeme hupunguza nishati ya uanzishaji wa kuunguza, na kuwezesha kabidi ya boroni kufikia msongamano mkubwa (>95%) kwa 1700-2100℃, ambayo ni 300-500℃ chini kuliko mchakato wa kawaida.
Ikilinganishwa na uchakataji wa kawaida, kabidi ya boroni iliyoandaliwa na SPS ina chembechembe nyembamba zaidi (kiwango cha nano hadi mikroni) na sifa bora za kiufundi. Kwa mfano, katika shinikizo la juu la 1600℃ na 300MPa, uthabiti wa kuvunjika kwa kabidi ya boroni iliyoandaliwa na SPS huongezeka hadi 5.56MPa・m¹/², na uthabiti unaobadilika huimarishwa kwa kiasi kikubwa.
II. Mafanikio ya Kiteknolojia: Hatua Muhimu Kutoka Maabara hadi Viwanda
1. Uboreshaji wa Vigezo na Udhibiti wa Miundo Midogo
Ushirikiano wa Halijoto na Shinikizo: Utafiti umegundua kuwa katika halijoto ya chini (1700-2000℃), kuteleza kwa mpaka wa chembe husababisha msongamano, huku katika halijoto ya juu (>2000℃), kupanda kwa mtengano ni jambo kubwa. Kwa kudhibiti kwa usahihi kiwango cha joto na shinikizo, ukubwa wa chembe unaweza kudhibitiwa kwa usahihi kutoka 4μm hadi kipimo cha nanomita.
Matumizi Bunifu ya Visaidizi vya Kuchuja: Kuongeza viongezeo kama vile Al, SiC, na graphene kunaweza kuboresha utendaji zaidi. Kwa mfano, kauri za B4C/SiC/Al zenye graphene ya 1.5% (GPL) zinaonyesha ongezeko la 25.6% katika uimara wa kuvunjika na ongezeko la 99% katika nguvu ya kunyumbulika.
2. Utengenezaji wa hatua moja wa vifaa vilivyopangwa kwa kiwango cha utendaji
Timu ya Napo Materials imefanikisha, kwa mara ya kwanza, uchakataji wa hatua moja wa vifaa vilivyowekwa alama za utendaji vya B4C/Al kwa kutumia teknolojia ya SPS. Nyenzo hii inafanikisha mpito wa gradient kutoka B4C safi (ugumu 32 GPa) hadi Al safi (ugumu 1 GPa), ikitatua kwa mafanikio matatizo ya tofauti kubwa za kiwango cha kuyeyuka na uundaji rahisi wa awamu za uchafu katika michakato ya kitamaduni, ikitoa mawazo mapya ya silaha zinazostahimili risasi na vifaa vyenye mchanganyiko wa upitishaji joto mwingi.
3. Ufanisi wa Utendaji katika Mazingira Makali
Katika tasnia ya nyuklia, vifyonzaji vya neutroni vya B4C vilivyoandaliwa na SPS vinafikia usafi wa 99.9%, vinaonyesha upinzani bora wa mionzi, na vina gharama za utupaji taka ambazo ni moja ya tano tu ya zile za vifaa vya jadi vinavyotokana na kadimiamu. Katika tasnia ya anga za juu, vifaa vya mchanganyiko wa boroni kabidi/alumini hupunguza uzito wa sahani za ulinzi zinazoongoza kwa injini ya turbofani kwa 40% na kuboresha ufanisi wa mafuta kwa 2.3%.
III. Matarajio ya Sekta: Bahari Mpya ya Bluu katika Soko la Dola Trilioni
1. Maombi yanastawi katika nyanja zote.
Sekta ya Ulinzi na Kijeshi: Ndege ya usafiri ya Osprey ya jeshi la Marekani hutumia silaha za B4C zenye mchanganyiko, ambazo hupunguza uzito kwa 40% na hutoa ulinzi bora kuliko silaha za chuma za kitamaduni.
Semiconductors na Elektroniki: Hitilafu ya ulaini wa hatua ya kabati ya boroni < 1μm, ikikidhi mahitaji ya usahihi wa hali ya juu sana wa mashine za lithografia za EUV. Teknolojia ya ulainishaji wa joto la chini ya Zhihe New Materials hupunguza halijoto ya ulainishaji wa B4C hadi 1950℃, na kusababisha matumizi yake katika uwanja wa pedi za kung'arisha semiconductor.
Nishati Mpya na Ulinzi wa Mazingira: Nozeli za kabidi ya boroni huongeza muda wa matumizi wa vifaa vya kulipua mchanga vyenye shinikizo kubwa kutoka miezi 3 hadi miaka 2, na kupunguza gharama za matengenezo kwa 80%. Matumizi yao katika nishati ya nyuklia, seli za jua, na nyanja zingine pia yanapanuka kwa kasi.
2. Ukubwa wa Soko na Gawio la Sera
Soko la kabodi ya boroni duniani linatarajiwa kukua kutoka dola milioni 180 mwaka wa 2025 hadi dola milioni 320 mwaka wa 2030, likiwakilisha CAGR ya 9.5%. Kama mzalishaji mkubwa zaidi duniani, China inashika nafasi inayoongoza katika tasnia hiyo kupitia usaidizi wa sera na mafanikio ya kiteknolojia.
Teknolojia ya spark plasma sintering (SPCS) inaongoza vifaa vya boroni karabidi kutoka maabara hadi viwanda. Utendaji wake bora katika ugumu, uthabiti wa joto, na unyonyaji wa neutroni hutoa suluhisho za usumbufu kwa ajili ya ulinzi, nishati, na vifaa vya elektroniki. Kwa maendeleo ya kiteknolojia na usaidizi wa sera, boroni karabidi, "almasi nyeusi" hii, bila shaka itang'aa katika matumizi zaidi, na kuwa moja ya vifaa muhimu vinavyoendesha maendeleo ya kiteknolojia ya binadamu.