போரான் கார்பைடின் தீப்பொறி பிளாஸ்மா சின்டரிங்: பாரம்பரிய சின்டரிங்கில் ஒரு புரட்சிகரமான "கருப்பு தொழில்நுட்பம்" திருப்புமுனை.
பொருள் அறிவியல் துறையில்,போரான் கார்பைடு (B4C)அதிக கடினத்தன்மை, குறைந்த அடர்த்தி, உடைகள் எதிர்ப்பு மற்றும் நியூட்ரான் உறிஞ்சுதல் திறன் காரணமாக "கருப்பு வைரம்" என்று அழைக்கப்படும் இது, குண்டு துளைக்காத கவசம், அணுசக்தி தொழில் மற்றும் விண்வெளி போன்ற உயர்நிலை துறைகளில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. இருப்பினும், பாரம்பரிய சின்டரிங் செயல்முறைகள் (அழுத்தமற்ற சின்டரிங் மற்றும் சூடான அழுத்தும் சின்டரிங் போன்றவை) அதிக சின்டரிங் வெப்பநிலை, நீண்ட சின்டரிங் நேரங்கள் மற்றும் எளிதான தானிய கரடுமுரடாக்கம் போன்ற சவால்களை எதிர்கொள்கின்றன, இது போரான் கார்பைடு செயல்திறனில் மேலும் மேம்பாடுகளைக் கட்டுப்படுத்துகிறது. சமீபத்திய ஆண்டுகளில், குறைந்த வெப்பநிலை, விரைவான வேகம் மற்றும் அதிக செயல்திறன் கொண்ட ஸ்பார்க் பிளாஸ்மா சின்டரிங் (SPS) தொழில்நுட்பம், போரான் கார்பைடுக்கான ஒரு சூடான ஆராய்ச்சிப் பகுதியாக மாறியுள்ளது, இந்த சூப்பர்ஹார்ட் பொருளின் பயன்பாட்டு எல்லைகளை மறுவடிவமைக்கிறது.
I. SPS தொழில்நுட்பம்: சின்டரிங் செய்வதற்கான ஒரு புரட்சிகரமான புதிய முன்னுதாரணம்
துடிப்பு மின்னோட்டம், இயந்திர அழுத்தம் மற்றும் வெப்ப புலம் ஆகியவற்றின் ஒருங்கிணைந்த விளைவு மூலம் போரான் கார்பைடை விரைவாக அடர்த்தியாக்குவதை SPS தொழில்நுட்பம் அடைகிறது. இதன் முக்கிய கொள்கை பின்வருமாறு:
பிளாஸ்மா செயல்படுத்தல்: துடிப்பு மின்னோட்டம் இடைத் துகள் இடைவெளிகளில் உடனடி உயர்-வெப்பநிலை பிளாஸ்மாவை உருவாக்குகிறது, மேற்பரப்பு ஆக்சைடுகளை அகற்றி அணு பரவலை ஊக்குவிக்கிறது.
ஜூல் வெப்பமாக்கல் மற்றும் வெப்பநிலை சாய்வு: மின்சாரம் கிராஃபைட் அச்சு வழியாக ஜூல் வெப்பத்தை உருவாக்குகிறது, மேலும் வெப்பநிலை வேகமாக (600℃/நிமிடம் வரை) உயர்ந்து, அடர்த்தியை துரிதப்படுத்தி தானிய வளர்ச்சியைத் தடுக்கும் வெப்பநிலை சாய்வை உருவாக்குகிறது.
மின்சார புல உதவி பரவல்: மின்சார புலம் சின்டரிங் செயல்படுத்தும் ஆற்றலைக் குறைக்கிறது, போரான் கார்பைடு 1700-2100℃ இல் அதிக அடர்த்தியை (>95%) அடைய உதவுகிறது, இது பாரம்பரிய செயல்முறையை விட 300-500℃ குறைவாகும்.
பாரம்பரிய சின்டரிங் உடன் ஒப்பிடும்போது, SPS ஆல் தயாரிக்கப்பட்ட போரான் கார்பைடு நுண்ணிய தானியங்கள் (நானோ முதல் மைக்ரான் அளவு) மற்றும் சிறந்த இயந்திர பண்புகளைக் கொண்டுள்ளது. எடுத்துக்காட்டாக, 1600℃ மற்றும் 300MPa உயர் அழுத்தத்தில், SPS ஆல் தயாரிக்கப்பட்ட போரான் கார்பைட்டின் எலும்பு முறிவு கடினத்தன்மை 5.56MPa・m¹/² ஆக அதிகரிக்கப்படுகிறது, மேலும் டைனமிக் கடினத்தன்மை கணிசமாக மேம்படுத்தப்படுகிறது.
II. தொழில்நுட்ப முன்னேற்றம்: ஆய்வகத்திலிருந்து தொழில்மயமாக்கலுக்கு முக்கிய பாய்ச்சல்
1. அளவுரு உகப்பாக்கம் மற்றும் நுண் கட்டமைப்பு கட்டுப்பாடு
வெப்பநிலை மற்றும் அழுத்த சினெர்ஜி: குறைந்த வெப்பநிலையில் (1700-2000℃), துகள் எல்லை சறுக்குதல் முதன்மையாக அடர்த்திக்கு வழிவகுக்கிறது என்றும், அதிக வெப்பநிலையில் (>2000℃) இடப்பெயர்ச்சி ஏற்றம் ஆதிக்கம் செலுத்துகிறது என்றும் ஆராய்ச்சி கண்டறிந்துள்ளது. வெப்ப விகிதம் மற்றும் அழுத்தத்தை துல்லியமாக கட்டுப்படுத்துவதன் மூலம், தானிய அளவை 4μm முதல் நானோமீட்டர் அளவு வரை துல்லியமாக கட்டுப்படுத்த முடியும்.
சின்டரிங் எய்ட்ஸின் புதுமையான பயன்பாடுகள்: Al, SiC மற்றும் கிராஃபீன் போன்ற சேர்க்கைகளைச் சேர்ப்பது செயல்திறனை மேலும் மேம்படுத்தலாம். எடுத்துக்காட்டாக, 1.5% கிராஃபீன் (GPLs) கொண்ட B4C/SiC/Al மல்டிஃபேஸ் மட்பாண்டங்கள் எலும்பு முறிவு கடினத்தன்மையில் 25.6% அதிகரிப்பையும் நெகிழ்வு வலிமையில் 99% அதிகரிப்பையும் காட்டுகின்றன.
2. செயல்பாட்டு ரீதியாக தரப்படுத்தப்பட்ட பொருட்களின் ஒரு-படி உற்பத்தி
நேப்போ மெட்டீரியல்ஸ் குழு, முதன்முறையாக, SPS தொழில்நுட்பத்தைப் பயன்படுத்தி B4C/Al செயல்பாட்டு ரீதியாக தரப்படுத்தப்பட்ட பொருட்களின் ஒரு-படி சின்டரிங் சாதனையைப் பெற்றுள்ளது. இந்தப் பொருள் தூய B4C (கடினத்தன்மை 32 GPa) இலிருந்து தூய Al (கடினத்தன்மை 1 GPa) க்கு சாய்வு மாற்றத்தை அடைகிறது, பாரம்பரிய செயல்முறைகளில் பெரிய உருகுநிலை வேறுபாடுகள் மற்றும் தூய்மையற்ற கட்டங்களை எளிதாக உருவாக்குதல் ஆகியவற்றின் சிக்கல்களை வெற்றிகரமாக தீர்க்கிறது, குண்டு துளைக்காத கவசம் மற்றும் உயர் வெப்ப கடத்துத்திறன் கலப்பு பொருட்களுக்கான புதிய யோசனைகளை வழங்குகிறது.
3. தீவிர சூழல்களில் செயல்திறன் திருப்புமுனை
அணுசக்தித் துறையில், SPS-தயாரிக்கப்பட்ட B4C நியூட்ரான் உறிஞ்சிகள் 99.9% தூய்மையை அடைகின்றன, சிறந்த கதிர்வீச்சு எதிர்ப்பை வெளிப்படுத்துகின்றன, மேலும் பாரம்பரிய காட்மியம் சார்ந்த பொருட்களை விட ஐந்தில் ஒரு பங்கு மட்டுமே கழிவுகளை அகற்றும் செலவுகளைக் கொண்டுள்ளன. விண்வெளித் துறையில், போரான் கார்பைடு/அலுமினிய கலவைப் பொருட்கள் டர்போஃபேன் எஞ்சின் முன்னணி-முனை பாதுகாப்பு தகடுகளின் எடையை 40% குறைக்கின்றன மற்றும் எரிபொருள் செயல்திறனை 2.3% மேம்படுத்துகின்றன.
III. தொழில்துறை வாய்ப்புகள்: டிரில்லியன் டாலர் சந்தையில் ஒரு புதிய நீலப் பெருங்கடல்
1. அனைத்து துறைகளிலும் பயன்பாடுகள் செழித்து வருகின்றன.
பாதுகாப்பு மற்றும் இராணுவத் தொழில்: அமெரிக்க இராணுவத்தின் ஆஸ்ப்ரே போக்குவரத்து விமானம் B4C கூட்டு கவசத்தைப் பயன்படுத்துகிறது, இது எடையை 40% குறைக்கிறது மற்றும் பாரம்பரிய எஃகு கவசத்தை விட உயர்ந்த பாதுகாப்பை வழங்குகிறது.
குறைக்கடத்திகள் மற்றும் மின்னணுவியல்: போரான் கார்பைடு வேஃபர் நிலை தட்டையான தன்மை பிழை < 1μm, EUV லித்தோகிராஃபி இயந்திரங்களின் மிக உயர்ந்த துல்லியத் தேவைகளைப் பூர்த்தி செய்கிறது. Zhihe New Materials இன் குறைந்த வெப்பநிலை சின்டரிங் தொழில்நுட்பம் B4C சின்டரிங் வெப்பநிலையை 1950℃ ஆகக் குறைத்து, குறைக்கடத்தி பாலிஷ் பேட் துறையில் அதன் பயன்பாட்டை இயக்குகிறது.
புதிய ஆற்றல் மற்றும் சுற்றுச்சூழல் பாதுகாப்பு: போரான் கார்பைடு முனைகள் உயர் அழுத்த மணல் வெடிப்பு கருவிகளின் ஆயுட்காலத்தை 3 மாதங்களிலிருந்து 2 ஆண்டுகளாக நீட்டித்து, பராமரிப்பு செலவுகளை 80% குறைக்கின்றன. அணுசக்தி, சூரிய மின்கலங்கள் மற்றும் பிற துறைகளிலும் அவற்றின் பயன்பாடு வேகமாக விரிவடைந்து வருகிறது.
2. சந்தை அளவு மற்றும் கொள்கை ஈவுத்தொகைகள்
உலகளாவிய போரான் கார்பைடு சந்தை 2025 ஆம் ஆண்டில் $180 மில்லியனில் இருந்து 2030 ஆம் ஆண்டில் $320 மில்லியனாக வளரும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது, இது CAGR 9.5% ஐக் குறிக்கும். உலகின் மிகப்பெரிய உற்பத்தியாளராக, கொள்கை ஆதரவு மற்றும் தொழில்நுட்ப முன்னேற்றங்கள் மூலம் சீனா தொழில்துறையின் முன்னணி நிலையைப் பிடிக்கிறது.
ஸ்பார்க் பிளாஸ்மா சின்டரிங் (SPCS) தொழில்நுட்பம், போரான் கார்பைடு பொருட்களை ஆய்வகத்திலிருந்து தொழில்மயமாக்கலுக்கு இட்டுச் செல்கிறது. கடினத்தன்மை, வெப்ப நிலைத்தன்மை மற்றும் நியூட்ரான் உறிஞ்சுதல் ஆகியவற்றில் அதன் சிறந்த செயல்திறன் பாதுகாப்பு, ஆற்றல் மற்றும் மின்னணுவியல் ஆகியவற்றிற்கு சீர்குலைக்கும் தீர்வுகளை வழங்குகிறது. தொழில்நுட்ப முன்னேற்றங்கள் மற்றும் கொள்கை ஆதரவுடன், போரான் கார்பைடு, இந்த "கருப்பு வைரம்", சந்தேகத்திற்கு இடமின்றி இன்னும் அதிகமான பயன்பாடுகளில் பிரகாசிக்கும், இது மனித தொழில்நுட்ப முன்னேற்றத்தை இயக்கும் முக்கிய பொருட்களில் ஒன்றாக மாறும்.