研究者らは、レーザーを使用して超高温に耐えられるセラミックを作成する新しい技術を実証しました。その用途は原子力技術から宇宙船やジェット排気システムまで多岐にわたります。{0}この技術を使用すると、セラミック コーティング、タイル、または複雑な 3 次元構造を作成できます。これにより、新しいデバイスやテクノロジーを設計する際の汎用性が高まります。-
「焼結とは、粉末または液体の原材料がセラミック材料に変換されるプロセスです」と、この研究に関する論文の共同著者であり、ノースカロライナ州立大学の機械および航空宇宙工学の教授であるシェリル シュー氏は言います。- 「この研究では、私たちは炭化ハフニウム (HfC) と呼ばれる超高温セラミックに焦点を当てました。従来、HfC を焼結するには、原材料を摂氏 2,200 度以上の温度に達する炉に入れる必要があり、これは時間とエネルギーを大量に消費するプロセスです。-
「私たちの技術はより速く、より簡単で、より少ないエネルギーで済みます。」
この新しい技術は、真空チャンバーやアルゴンで満たされたチャンバーなどの不活性環境で、液体ポリマー前駆体の表面に 120 ワットのレーザーを照射することで機能します。レーザーは液体を焼結し、固体のセラミックに変えます。これは 2 つの異なる方法で使用できます。
初め、液体前駆体は、ミサイルや宇宙探査機などの極超音速技術で使用される炭素複合材料など、下にある構造にコーティングとして適用できます。前駆体を構造の表面に塗布し、レーザーで焼結することができます。
「焼結プロセスでは構造全体を炉の熱にさらす必要がないため、この新しい技術により、炉内での焼結によって損傷を受ける可能性のある材料に超高温セラミック コーティングを適用できる可能性が期待されます」と Xu 氏は言います。{0}
2番目エンジニアが新しい焼結技術を利用できる方法には、3D プリンティングとも呼ばれる積層造形が含まれます。具体的には、レーザー焼結法は、光造形法と同様の技術と併用することができる。
この技術では、液体前駆体の槽内にあるテーブルにレーザーが取り付けられます。三次元構造を作成するために、研究者は構造のデジタル設計を作成し、その構造を層に「スライス」します。-まず、レーザーでポリマーの構造の最初の層の輪郭を描き、まるで絵に色を塗るかのように輪郭を塗りつぶします。レーザーがこの領域を「埋める」と、熱エネルギーが液体ポリマーをセラミックに変換します。次に、テーブルをポリマー バス内にさらに少し下げ、ブレードが上部を掃いて表面を平らにします。次に、レーザーによって構造の 2 番目の層が焼結され、焼結されたセラミックからなる完成品が完成するまでこのプロセスが繰り返されます。
「実際のところ、レーザーがのみ「液体前駆体を焼結するのです」とシュー氏は言う。「レーザーが最初に液体ポリマーを固体ポリマーに変換し、次に固体ポリマーをセラミックに変換すると言った方が正確です。ただし、これらすべては非常に迅速に行われます。基本的には 1 ステップのプロセスです。-」
-概念テストの実証-で、研究者らは、レーザー焼結技術により液体ポリマー前駆体から結晶質の相-純粋な HfC が生成されることを実証しました。
「液体ポリマー前駆体からこの品質の HfC を製造できた場所を知るのはこれが初めてです」と Xu 氏は言います。 「そして、超高温セラミックスは、その名前が示すように、原子力エネルギーの生産など、技術が極端な温度に耐える必要がある幅広い用途に役立ちます。」
研究者らはまた、レーザー焼結を使用して炭素繊維強化炭素複合材（C/C）の高品質 HfC コーティングを作成できることも実証しました。{0}基本的に、セラミックコーティングは下にある構造に接着しており、剥がれることはありませんでした。
「C/C 基板上の HfC コーティングは、強力な接着力、均一な被覆率、そして熱保護層および耐酸化層として使用できる可能性を実証しました」と Xu 氏は言います。 「極超音速用途に加えて、カーボン/カーボン構造はロケットノズル、ブレーキディスク、ノーズコーンや翼前縁などの航空宇宙用熱保護システムにも使用されているため、これは特に有用です。」
新しいレーザー焼結技術は、いくつかの点で従来の焼結よりも大幅に効率的です。
「私たちの技術では、超高温セラミック構造とコーティングを数秒または数分で作成できますが、従来の技術では数時間または数日かかります」と Xu 氏は言います。{0} 「また、レーザー焼結はより高速で局所性が高いため、使用するエネルギーが大幅に少なくなります。さらに、私たちのアプローチはより高い収率を生み出します。具体的には、レーザー焼結は前駆体質量の少なくとも 50% をセラミックに変換します。従来のアプローチでは通常、前駆体の 20 ～ 40% しか変換されません。」
「最後に、私たちの技術は比較的移植可能です」と Xu 氏は言います。 「はい、不活性環境で行う必要がありますが、真空チャンバーと積層造形装置の輸送は、強力で大規模な炉を輸送するよりもはるかに簡単です。-
「私たちはセラミックスの進歩に興奮しており、この技術を実用化するために公的および民間のパートナーと協力することに前向きです」とXu氏は述べています。
論文「液体ポリマー前駆体からのワンステップ選択的レーザー反応熱分解によるハフニウムカーバイド (HfC) の合成」は、アメリカセラミック協会誌。この論文の共同責任著者は、ノースカロライナ州立大学の機械および航空宇宙工学の教授である Tiegang Fang です。-この論文の共同筆頭著者は、ノースカロライナ州立大学の博士研究員であるシャリーニ・ラージプート氏と、博士課程のカウシク・ノナビナケレ・ヴィノード氏です。-ノースカロライナ州立大学の学生。
この研究は、ノースカロライナ大学シャーロット校に拠点を置く先端セラミックス積層造形センターの支援を受けて行われました。
