Els investigadors han demostrat una nova tècnica que utilitza làsers per crear ceràmiques que puguin suportar temperatures ultra-eleves, amb aplicacions que van des de tecnologies d'energia nuclear fins a naus espacials i sistemes d'escapament de jet. La tècnica es pot utilitzar per crear recobriments ceràmics, rajoles o estructures tridimensionals complexes-, que permeten una major versatilitat a l'hora de dissenyar nous dispositius i tecnologies.
"La sinterització és el procés pel qual les matèries primeres, ja siguin pols o líquids, es converteixen en un material ceràmic", diu Cheryl Xu, co-autora corresponent d'un article sobre aquesta investigació i professora d'enginyeria mecànica i aeroespacial a la Universitat Estatal de Carolina del Nord. "Per a aquest treball, ens vam centrar en una ceràmica de temperatura ultra-anomenada carbur d'hafni (HfC). Tradicionalment, la sinterització de HfC requereix col·locar les matèries primeres en un forn que pot arribar a temperatures d'almenys 2.200 graus centígrads, un procés que requereix molt de temps-i molta energia.
"La nostra tècnica és més ràpida, fàcil i requereix menys energia".
La nova tècnica funciona aplicant un làser de 120 watts a la superfície d'un precursor de polímer líquid en un entorn inert, com ara una cambra de buit o una cambra plena d'argó. El làser sinteritza el líquid, convertint-lo en una ceràmica sòlida. Això es pot utilitzar de dues maneres diferents.
Primer,el precursor líquid es pot aplicar com a recobriment a una estructura subjacent, com els compostos de carboni utilitzats en tecnologies hipersòniques com els míssils i els vehicles d'exploració espacial. El precursor es pot aplicar a la superfície de l'estructura i després sinteritzar amb el làser.
"Com que el procés de sinterització no requereix exposar tota l'estructura a la calor del forn, la nova tècnica és prometedora per permetre'ns aplicar recobriments ceràmics d'ultra{0}}temperatura a materials que es poden danyar per la sinterització en un forn", diu Xu.
El segonLa manera en què els enginyers poden fer ús de la nova tècnica de sinterització implica la fabricació additiva, també coneguda com a impressió 3D. Concretament, el mètode de sinterització làser es pot utilitzar juntament amb una tècnica semblant a la estereolitografia.
En aquesta tècnica, es munta un làser sobre una taula que es troba en un bany del precursor líquid. Per crear una estructura-tridimensional, els investigadors creen un disseny digital de l'estructura i després "tallen" aquesta estructura en capes. Per començar, el làser dibuixa el perfil de la primera capa de l'estructura del polímer, omplint el perfil com si acolorís una imatge. A mesura que el làser "omple" aquesta àrea, l'energia tèrmica converteix el polímer líquid en ceràmica. A continuació, la taula baixa una mica més al bany de polímer i una fulla escombra la part superior per igualar la superfície. A continuació, el làser sinteritza la segona capa de l'estructura, i aquest procés es repeteix fins a obtenir un producte acabat de ceràmica sinteritzada.
"En realitat, és una mica una simplificació excessiva dir que el làser ho ésnoméssinteritzant el precursor líquid", diu Xu. "És més exacte dir que el làser primer converteix el polímer líquid en un polímer sòlid i després el converteix en una ceràmica. Tot i això, tot això passa molt ràpidament: bàsicament és un procés d'un-pas".
Com a prova-de-prova de concepte, els investigadors van demostrar que la tècnica de sinterització làser produïa HfC cristal·lí en fase-pur a partir d'un precursor de polímer líquid.
"Aquesta és la primera vegada que sabem on algú va poder crear HfC d'aquesta qualitat a partir d'un precursor de polímer líquid", diu Xu. "I les ceràmiques d'ultra-temperatura, com el seu nom indica, són útils per a una àmplia gamma d'aplicacions on les tecnologies han de suportar temperatures extremes, com ara la producció d'energia nuclear".
Els investigadors també van demostrar que la sinterització làser es podria utilitzar per crear recobriments HfC d'alta qualitat de compostos de carboni-reforçats amb fibra de carboni (C/C). Bàsicament, el recobriment ceràmic es va unir a l'estructura subjacent i no es va desprendre.
"Els recobriments HfC sobre substrats C/C van demostrar una forta adhesió, una cobertura uniforme i un potencial d'ús com a protecció tèrmica i una capa resistent a l'oxidació", diu Xu. "Això és especialment útil perquè, a més de les aplicacions hipersòniques, les estructures de carboni/carboni s'utilitzen en broquets de coets, discos de fre i sistemes de protecció tèrmica aeroespacial, com ara cons de morro i vores davanteres de les ales".
La nova tècnica de sinterització làser també és significativament més eficient que la sinterització convencional de diverses maneres.
"La nostra tècnica ens permet crear estructures i recobriments ceràmics d'ultra-temperatura en segons o minuts, mentre que les tècniques convencionals triguen hores o dies", diu Xu. "I com que la sinterització làser és més ràpida i molt localitzada, utilitza molt menys energia. A més, el nostre enfocament produeix un rendiment més elevat. Concretament, la sinterització làser converteix almenys el 50% de la massa precursora en ceràmica. Els enfocaments convencionals solen convertir només el 20-40% del precursor.
"Per últim, la nostra tècnica és relativament portàtil", diu Xu. "Sí, s'ha de fer en un entorn inert, però transportar una cambra de buit i equips de fabricació additiva és molt més fàcil que transportar un forn potent i-a gran escala.
"Estem entusiasmats amb aquest avenç en ceràmica i estem oberts a treballar amb socis públics i privats per fer la transició d'aquesta tecnologia per utilitzar-la en aplicacions pràctiques", diu Xu.
El document, "Synthesis of Hafnium Carbide (HfC) via One-Step Selective Laser Reaction Pyrolysis from Liquid Polymer Precursor", es publica alRevista de la Societat Americana de Ceràmica. El co-autor corresponent de l'article és Tiegang Fang, professor d'enginyeria mecànica i aeroespacial a NC State. Els co-primers autors de l'article són Shalini Rajpoot, investigadora postdoctoral a NC State, i Kaushik Nonavinakere Vinod, Ph.D. estudiant a NC State.
La investigació es va fer amb el suport del Center for Additive Manufacture of Advanced Ceramics, amb seu a la Universitat de Carolina del Nord a Charlotte.
