Araştırmacılar, nükleer enerji teknolojilerinden uzay aracı ve jet egzoz sistemlerine kadar çeşitli uygulamalarla, ultra-yüksek sıcaklıklara dayanabilen seramikler oluşturmak için lazerleri kullanan yeni bir teknik gösterdiler. Bu teknik, seramik kaplamalar, fayanslar veya karmaşık üç- boyutlu yapılar oluşturmak için kullanılabilir; bu, yeni cihaz ve teknolojilerin mühendisliğinde çok yönlülüğün artırılmasına olanak tanır.
Bu araştırmayla ilgili bir makalenin ortak yazarı ve Kuzey Carolina Devlet Üniversitesi'nde makine ve havacılık mühendisliği profesörü olan Cheryl Xu, "Sinterleme, toz veya sıvı ham maddelerin seramik malzemeye dönüştürüldüğü süreçtir" diyor-. "Bu çalışma için, hafniyum karbür (HfC) adı verilen ultra-yüksek sıcaklıktaki bir seramiğe odaklandık. Geleneksel olarak HfC'nin sinterlenmesi, ham maddelerin en az 2.200 santigrat derece sıcaklıklara ulaşabilen bir fırına yerleştirilmesini gerektirir; bu, zaman-tüketici ve enerji yoğun bir süreçtir.
"Tekniğimiz daha hızlı, daha kolay ve daha az enerji gerektiriyor."
Yeni teknik, vakum odası veya argonla dolu bir oda gibi inert bir ortamda sıvı polimer öncülünün yüzeyine 120 watt'lık bir lazer uygulayarak çalışıyor. Lazer sıvıyı sinterleyerek katı bir seramiğe dönüştürür. Bu iki farklı şekilde kullanılabilir.
Birinci,Sıvı öncü, füzeler ve uzay araştırma araçları gibi hipersonik teknolojilerde kullanılan karbon kompozitler gibi altta yatan bir yapıya kaplama olarak uygulanabiliyor. Öncü yapının yüzeyine uygulanabilir ve daha sonra lazerle sinterlenebilir.
Xu, "Sinterleme işlemi, tüm yapının fırın ısısına maruz kalmasını gerektirmediğinden, yeni teknik, fırında sinterleme nedeniyle zarar görebilecek malzemelere ultra-yüksek sıcaklıkta seramik kaplamalar uygulamamıza olanak sağlama konusunda umut vaat ediyor" diyor.
İkinciMühendislerin yeni sinterleme tekniğinden yararlanabilmesinin yolu, 3D baskı olarak da bilinen katmanlı üretimi içeriyor. Spesifik olarak, lazer sinterleme yöntemi stereolitografiye benzer bir teknikle birlikte kullanılabilir.
Bu teknikte, sıvı öncül banyosunda bulunan bir masaya bir lazer monte edilir. Üç-boyutlu bir yapı oluşturmak için araştırmacılar, yapının dijital tasarımını oluşturur ve ardından bu yapıyı katmanlara "dilimler". Başlangıç olarak lazer, polimerdeki yapının ilk katmanının profilini çiziyor ve sanki bir resmi renklendiriyormuş gibi profili dolduruyor. Lazer bu alanı "doldururken" termal enerji, sıvı polimeri seramiğe dönüştürür. Daha sonra tabla polimer banyosuna biraz daha alçalır ve bir bıçak yüzeyi düzleştirmek için üst kısmı boyunca hareket eder. Lazer daha sonra yapının ikinci katmanını sinterler ve bu işlem, sinterlenmiş seramikten yapılmış bitmiş bir ürün elde edene kadar tekrarlanır.
"Aslında lazerin olduğunu söylemek biraz aşırı basitleştirme olur.sadeceSıvı öncül sinterleniyor" diyor Xu. "Lazerin önce sıvı polimeri katı bir polimere dönüştürdüğünü ve ardından katı polimeri seramiğe dönüştürdüğünü söylemek daha doğrudur. Ancak bunların hepsi çok hızlı gerçekleşiyor; aslında tek-adımlık bir süreç."
Araştırmacılar,--kavram testinin kanıtı olarak, lazer sinterleme tekniğinin, sıvı bir polimer öncüsünden kristalimsi, faz-saf HfC ürettiğini gösterdi.
Xu, "Birinin sıvı polimer öncüsünden bu kalitede HfC'yi nerede oluşturabildiğini ilk kez biliyoruz" diyor. "Ve adından da anlaşılacağı gibi ultra-yüksek sıcaklık seramikleri, nükleer enerji üretimi gibi teknolojilerin aşırı sıcaklıklara dayanması gereken çok çeşitli uygulamalar için kullanışlıdır."
Araştırmacılar ayrıca lazer sinterlemenin karbon-fiber takviyeli karbon kompozitlerden (C/C) yüksek kaliteli HfC kaplamalar oluşturmak için kullanılabileceğini gösterdi. Temel olarak seramik kaplama alttaki yapıya yapıştı ve soyulmadı.
Xu, "C/C substratları üzerindeki HfC kaplamalar, güçlü yapışma, tekdüze kaplama ve termal koruma ve oksidasyona dirençli katman olarak kullanım potansiyeli gösterdi" diyor. "Bu özellikle kullanışlıdır çünkü hipersonik uygulamalara ek olarak karbon/karbon yapıları roket nozullarında, fren disklerinde ve burun konileri ve kanat ön kenarları gibi havacılık termal koruma sistemlerinde kullanılmaktadır."
Yeni lazer sinterleme tekniği aynı zamanda çeşitli yönlerden geleneksel sinterlemeden önemli ölçüde daha verimlidir.
Xu, "Tekniğimiz saniyeler veya dakikalar içinde ultra-yüksek sıcaklıkta seramik yapılar ve kaplamalar oluşturmamıza olanak tanıyor, oysa geleneksel teknikler saatler veya günler sürüyor" diyor. "Ve lazer sinterleme daha hızlı ve son derece lokalize olduğundan önemli ölçüde daha az enerji kullanıyor. Üstelik yaklaşımımız daha yüksek verim sağlıyor. Spesifik olarak, lazer sinterleme öncül kütlesinin en az %50'sini seramiğe dönüştürüyor. Geleneksel yaklaşımlar tipik olarak öncünün yalnızca %20-40'ını dönüştürüyor.
Xu, "Son olarak tekniğimiz nispeten taşınabilir" diyor. "Evet, bunun hareketsiz bir ortamda yapılması gerekiyor, ancak bir vakum odasının ve katmanlı imalat ekipmanının taşınması, güçlü, büyük-ölçekli bir fırının taşınmasından çok daha kolaydır.
Xu, "Seramikteki bu ilerlemeden heyecan duyuyoruz ve bu teknolojiyi pratik uygulamalarda kullanmak üzere dönüştürmek için kamu ve özel ortaklarla çalışmaya açığız" diyor.
"Sıvı Polimer Öncüsünden Tek-Adım Seçici Lazer Reaksiyon Piroliziyle Hafniyum Karbür (HfC) Sentezi" başlıklı makale şu adreste yayınlandı:Amerikan Seramik Derneği Dergisi. Makalenin eş-yazarı, NC Eyaleti'nde makine ve havacılık ve uzay mühendisliği profesörü Tiegang Fang'dır. Makalenin ortak-yazarları, NC Eyaleti'nde doktora sonrası araştırmacı olan Shalini Rajpoot ve Ph.D. Kaushik Nonavinakere Vinod'dur. NC State'de öğrenci.
Araştırma, Charlotte'taki Kuzey Carolina Üniversitesi'nde bulunan Gelişmiş Seramik Eklemeli Üretim Merkezi'nin desteğiyle yapıldı.
