لقد أظهر الباحثون تقنية جديدة تستخدم الليزر لإنتاج سيراميك يمكنه تحمل درجات الحرارة العالية جدًا، مع تطبيقات تتراوح من تقنيات الطاقة النووية إلى أنظمة عادم المركبات الفضائية والطائرات النفاثة. يمكن استخدام هذه التقنية لإنشاء طبقات سيراميك أو بلاطات أو هياكل معقدة ثلاثية الأبعاد-، مما يسمح بمزيد من التنوع عند هندسة الأجهزة والتقنيات الجديدة.
"التلبيد هو العملية التي يتم من خلالها تحويل المواد الخام - سواء كانت مساحيق أو سوائل - إلى مادة خزفية،" كما تقول شيريل شو،{0}}المؤلفة المشاركة للورقة البحثية حول هذا البحث وأستاذة الهندسة الميكانيكية وهندسة الطيران في جامعة ولاية كارولينا الشمالية. "في هذا العمل، ركزنا على سيراميك شديد الحرارة-يسمى كربيد الهافنيوم (HfC). تقليديًا، يتطلب تلبيد HfC وضع المواد الخام في فرن يمكن أن تصل درجات حرارته إلى 2200 درجة مئوية على الأقل - وهي عملية تستهلك وقتًا-وتستهلك الكثير من الطاقة.
"إن تقنيتنا أسرع وأسهل وتتطلب طاقة أقل."
تعمل التقنية الجديدة من خلال تطبيق ليزر بقوة 120 واط على سطح مادة بوليمر سائلة في بيئة خاملة، مثل حجرة مفرغة أو حجرة مملوءة بالأرجون. يلبد الليزر السائل ويحوله إلى سيراميك صلب. يمكن استخدام هذا بطريقتين مختلفتين.
أولاً،يمكن تطبيق السلائف السائلة كطلاء على البنية الأساسية، مثل مركبات الكربون المستخدمة في التقنيات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت مثل الصواريخ ومركبات استكشاف الفضاء. يمكن تطبيق المادة الأولية على سطح الهيكل ومن ثم تلبيدها بالليزر.
"نظرًا لأن عملية التلبيد لا تتطلب تعريض الهيكل بأكمله لحرارة الفرن، فإن التقنية الجديدة تحمل وعدًا بالسماح لنا بتطبيق طبقات سيراميك ذات درجة حرارة عالية جدًا- على المواد التي قد تتضرر بسبب التلبيد في الفرن،" كما يقول شو.
الثانيالطريقة التي يمكن للمهندسين من خلالها الاستفادة من تقنية التلبيد الجديدة تتضمن التصنيع الإضافي، المعروف أيضًا باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد. على وجه التحديد، يمكن استخدام طريقة التلبد بالليزر بالتزامن مع تقنية مشابهة للطباعة الحجرية المجسمة.
في هذه التقنية، يتم تثبيت الليزر على طاولة موضوعة في حوض من المادة السائلة. لإنشاء هيكل ثلاثي-الأبعاد، يقوم الباحثون بإنشاء تصميم رقمي للهيكل ثم "تقسيم" هذا الهيكل إلى طبقات. للبدء، يرسم الليزر مقطعًا جانبيًا للطبقة الأولى من الهيكل في البوليمر، ويملأ المظهر الجانبي كما لو كان تلوين صورة. عندما "يملأ" الليزر هذه المنطقة، تقوم الطاقة الحرارية بتحويل البوليمر السائل إلى سيراميك. يتم بعد ذلك خفض الطاولة قليلاً إلى داخل حمام البوليمر، ويتم تمرير الشفرة عبر الجزء العلوي لتسوية السطح. ثم يلبد الليزر الطبقة الثانية من الهيكل، وتكرر هذه العملية نفسها حتى تحصل على منتج نهائي مصنوع من السيراميك الملبد.
"إنه في الواقع نوع من المبالغة في التبسيط أن نقول إن الليزر كذلكفقطيقول شو: "تلبيد السلائف السائلة". "من الأكثر دقة أن نقول إن الليزر يحول البوليمر السائل أولاً إلى بوليمر صلب ثم يحول البوليمر الصلب إلى سيراميك. ومع ذلك، كل هذا يحدث بسرعة كبيرة - فهي في الأساس عملية مكونة من-خطوة واحدة."
كدليل على -اختبار-المفهوم، أثبت الباحثون أن تقنية التلبيد بالليزر أنتجت مركب HfC البلوري -الطوري النقي من مادة بوليمر سائلة.
يقول شو: "هذه هي المرة الأولى التي نعرف فيها أين تمكن شخص ما من إنتاج مركبات الكربون الهيدروفلورية بهذه الجودة من مادة بوليمرية سائلة". "والسيراميك شديد الحرارة-، كما يوحي الاسم، مفيد لمجموعة واسعة من التطبيقات حيث يجب أن تتحمل التقنيات درجات الحرارة القصوى، مثل إنتاج الطاقة النووية."
كما أثبت الباحثون أيضًا أنه يمكن استخدام التلبيد بالليزر لإنشاء طبقات عالية الجودة من مركبات الكربون الهيدروفلورية (HfC) من مركبات الكربون المعززة بألياف الكربون (C/C). في الأساس، طلاء السيراميك مرتبط بالبنية الأساسية ولا يتقشر.
يقول Xu: "أظهرت طلاءات HfC على ركائز C/C التصاقًا قويًا، وتغطية موحدة، وإمكانية استخدامها كحماية حرارية وطبقة مقاومة للأكسدة". "وهذا مفيد بشكل خاص لأنه، بالإضافة إلى التطبيقات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت، يتم استخدام هياكل الكربون/الكربون في فوهات الصواريخ وأقراص المكابح وأنظمة الحماية الحرارية الفضائية مثل مخاريط الأنف والحواف الأمامية للأجنحة."
تعد تقنية التلبيد بالليزر الجديدة أيضًا أكثر كفاءة من التلبيد التقليدي بعدة طرق.
يقول شو: "تسمح لنا تقنيتنا بإنشاء هياكل وطلاءات سيراميكية ذات درجة حرارة عالية جدًا- في ثوانٍ أو دقائق، بينما تستغرق التقنيات التقليدية ساعات أو أيامًا". "ولأن التلبيد بالليزر أسرع وموضعي للغاية، فإنه يستخدم طاقة أقل بكثير. والأكثر من ذلك، فإن نهجنا ينتج إنتاجًا أعلى. وعلى وجه التحديد، يحول التلبيد بالليزر ما لا يقل عن 50٪ من كتلة السلائف إلى سيراميك. عادةً ما تحول الأساليب التقليدية 20-40٪ فقط من السلائف.
يقول شو: "أخيرًا، تقنيتنا محمولة نسبيًا". "نعم، يجب أن يتم ذلك في بيئة خاملة، ولكن نقل غرفة مفرغة ومعدات تصنيع إضافية أسهل بكثير من نقل فرن قوي-كبير الحجم.
يقول شو: "نحن متحمسون لهذا التقدم في صناعة السيراميك، ومنفتحون على العمل مع الشركاء من القطاعين العام والخاص لنقل هذه التكنولوجيا لاستخدامها في التطبيقات العملية".
تم نشر البحث، "تخليق كربيد الهافنيوم (HfC) عبر التحلل الحراري لتفاعل الليزر الانتقائي بخطوة واحدة من سلائف البوليمر السائل"، في مجلةمجلة جمعية السيراميك الأمريكية. المشارك-المؤلف المشارك لهذه الورقة هو تيجانج فانغ، أستاذ الهندسة الميكانيكية وهندسة الفضاء الجوي في ولاية كارولاينا الشمالية. المؤلفون الأوائل للورقة- هم شاليني راجبوت، باحث ما بعد الدكتوراه في ولاية نورث كارولاينا، وكوشيك نونافيناكيري فينود، حاصل على درجة الدكتوراه. طالب في ولاية نورث كارولاينا.
تم إجراء البحث بدعم من مركز تصنيع المواد المضافة للسيراميك المتقدم، ومقره جامعة نورث كارولينا في شارلوت.
