นักวิจัยได้สาธิตเทคนิคใหม่ที่ใช้เลเซอร์เพื่อสร้างเซรามิกที่สามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงเป็นพิเศษ- โดยมีการใช้งานตั้งแต่เทคโนโลยีพลังงานนิวเคลียร์ไปจนถึงยานอวกาศและระบบไอเสียของเครื่องบินไอพ่น เทคนิคนี้สามารถนำไปใช้ในการสร้างการเคลือบเซรามิก กระเบื้อง หรือโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อน- ซึ่งช่วยให้มีความหลากหลายมากขึ้นเมื่อทำวิศวกรรมอุปกรณ์และเทคโนโลยีใหม่ๆ
"การเผาผนึกเป็นกระบวนการที่วัตถุดิบ ไม่ว่าจะเป็นผงหรือของเหลว จะถูกแปลงเป็นวัสดุเซรามิก" เชอริล ซู ผู้ร่วม-ผู้เขียนบทความเกี่ยวกับการวิจัยนี้และเป็นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐนอร์ทแคโรไลนากล่าว "สำหรับงานนี้ เรามุ่งเน้นไปที่เซรามิกอุณหภูมิสูงพิเศษ-ที่เรียกว่าแฮฟเนียมคาร์ไบด์ (HfC) ตามธรรมเนียมแล้ว การเผา HfC จำเป็นต้องวางวัตถุดิบในเตาเผาที่สามารถเข้าถึงอุณหภูมิได้อย่างน้อย 2,200 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้เวลา-และใช้พลังงานมาก
“เทคนิคของเราเร็วขึ้น ง่ายขึ้น และใช้พลังงานน้อยลง”
เทคนิคใหม่นี้ทำงานโดยการใช้เลเซอร์ 120 วัตต์กับพื้นผิวของสารตั้งต้นของโพลีเมอร์เหลวในสภาพแวดล้อมเฉื่อย เช่น ห้องสุญญากาศหรือห้องที่เต็มไปด้วยอาร์กอน เลเซอร์เผาของเหลวและเปลี่ยนให้เป็นเซรามิกแข็ง สามารถใช้งานได้สองวิธีที่แตกต่างกัน
อันดับแรก,สารตั้งต้นที่เป็นของเหลวสามารถใช้เป็นสารเคลือบกับโครงสร้างพื้นฐานได้ เช่น คอมโพสิตคาร์บอนที่ใช้ในเทคโนโลยีความเร็วเหนือเสียง เช่น ขีปนาวุธและยานพาหนะสำรวจอวกาศ สารตั้งต้นสามารถนำไปใช้กับพื้นผิวของโครงสร้างแล้วเผาด้วยเลเซอร์
"เนื่องจากกระบวนการเผาผนึกไม่จำเป็นต้องให้โครงสร้างทั้งหมดสัมผัสกับความร้อนของเตาเผา เทคนิคใหม่นี้จึงถือเป็นคำมั่นสัญญาที่ช่วยให้เราสามารถเคลือบเซรามิกอุณหภูมิสูงพิเศษ-กับวัสดุที่อาจได้รับความเสียหายจากการเผาในเตาเผา" Xu กล่าว
ประการที่สองวิธีที่วิศวกรสามารถใช้เทคนิคการเผาผนึกแบบใหม่นั้นเกี่ยวข้องกับการผลิตแบบเติมเนื้อหรือที่เรียกว่าการพิมพ์ 3 มิติ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วิธีการเผาผนึกด้วยเลเซอร์สามารถใช้ร่วมกับเทคนิคที่คล้ายกับภาพสามมิติได้
ในเทคนิคนี้ เลเซอร์จะติดตั้งอยู่บนโต๊ะซึ่งอยู่ในอ่างที่มีสารตั้งต้นที่เป็นของเหลว ในการสร้างโครงสร้างสามมิติ- นักวิจัยจะสร้างการออกแบบโครงสร้างแบบดิจิทัล จากนั้นจึง "แบ่ง" โครงสร้างนั้นออกเป็นชั้นๆ ในการเริ่มต้น เลเซอร์จะดึงโปรไฟล์ของชั้นแรกของโครงสร้างในโพลีเมอร์ โดยเติมโปรไฟล์ให้เหมือนกับการระบายสีในรูปภาพ ขณะที่เลเซอร์ "เติมเต็ม" บริเวณนี้ พลังงานความร้อนจะเปลี่ยนโพลีเมอร์เหลวให้เป็นเซรามิก จากนั้นโต๊ะจะลดระดับลงในอ่างโพลีเมอร์อีกเล็กน้อย และใบมีดจะกวาดไปด้านบนเพื่อให้พื้นผิวเรียบเสมอกัน จากนั้นเลเซอร์จะเผาชั้นที่สองของโครงสร้าง และกระบวนการนี้จะทำซ้ำเองจนกว่าคุณจะได้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปที่ทำจากเซรามิกเผา
“จริงๆ แล้วมันเป็นเรื่องง่ายเกินไปนิดหน่อยที่จะบอกว่าเลเซอร์เป็นเช่นนั้นเท่านั้นการเผาสารตั้งต้นของของเหลว" Xu กล่าว "จะแม่นยำกว่าหากกล่าวว่าเลเซอร์จะแปลงโพลีเมอร์เหลวเป็นโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งก่อนแล้วจึงแปลงโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งให้เป็นเซรามิก อย่างไรก็ตาม ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยพื้นฐานแล้วเป็นขั้นตอนเดียว-"
ในการพิสูจน์-ของ-การทดสอบแนวคิด นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าเทคนิคการเผาด้วยเลเซอร์ทำให้เกิดผลึก -HfC บริสุทธิ์ในเฟสจากสารตั้งต้นของโพลีเมอร์เหลว
"นี่เป็นครั้งแรกที่เรารู้ว่ามีคนสามารถสร้าง HfC ที่มีคุณภาพนี้ได้จากที่ใดจากสารตั้งต้นของโพลีเมอร์เหลว" Xu กล่าว "และเซรามิกที่มีอุณหภูมิสูงพิเศษ- ดังที่ชื่อบอกไว้ นั้นมีประโยชน์สำหรับการใช้งานที่หลากหลายซึ่งเทคโนโลยีจะต้องทนทานต่ออุณหภูมิที่สูงมาก เช่น การผลิตพลังงานนิวเคลียร์"
นักวิจัยยังแสดงให้เห็นว่าการเผาด้วยเลเซอร์สามารถนำมาใช้เพื่อสร้างการเคลือบ HfC คุณภาพสูงของคาร์บอน-คอมโพสิตคาร์บอนเสริมเส้นใย (C/C) ได้ โดยพื้นฐานแล้ว การเคลือบเซรามิกจะยึดติดกับโครงสร้างพื้นฐานและไม่ลอกออก
"การเคลือบ HfC บนพื้นผิว C/C แสดงให้เห็นถึงการยึดเกาะที่แข็งแกร่ง การครอบคลุมที่สม่ำเสมอ และมีศักยภาพในการใช้เป็นชั้นป้องกันความร้อนและชั้นต้านทานการเกิดออกซิเดชัน" Xu กล่าว “สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งเพราะนอกเหนือจากการใช้งานที่มีความเร็วเหนือเสียง โครงสร้างคาร์บอน/คาร์บอนยังถูกใช้ในหัวฉีดจรวด จานเบรก และระบบป้องกันความร้อนในอวกาศ เช่น โคนจมูกและขอบนำปีก”
เทคนิคการเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบใหม่ยังมีประสิทธิภาพมากกว่าการเผาผนึกแบบเดิมๆ อย่างมีนัยสำคัญในหลายๆ ด้าน
"เทคนิคของเราช่วยให้เราสร้างโครงสร้างเซรามิกอุณหภูมิสูงพิเศษ-และการเคลือบได้ในเวลาไม่กี่วินาทีหรือนาที ในขณะที่เทคนิคทั่วไปใช้เวลาหลายชั่วโมงหรือหลายวัน" Xu กล่าว "และเนื่องจากการเผาผนึกด้วยเลเซอร์นั้นรวดเร็วกว่าและถูกกำหนดไว้เฉพาะจุดมาก จึงใช้พลังงานน้อยลงอย่างมาก ยิ่งไปกว่านั้น วิธีการของเรายังให้ผลลัพธ์ที่สูงกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเผาผนึกด้วยเลเซอร์จะแปลงมวลสารตั้งต้นอย่างน้อย 50% ให้เป็นเซรามิก วิธีการทั่วไปโดยทั่วไปจะแปลงสารตั้งต้นเพียง 20-40% เท่านั้น
“สุดท้ายนี้ เทคนิคของเราค่อนข้างพกพาสะดวก” Xu กล่าว "ใช่ จะต้องดำเนินการในสภาพแวดล้อมเฉื่อย แต่การขนส่งห้องสุญญากาศและอุปกรณ์การผลิตแบบเติมเนื้อนั้นง่ายกว่าการขนส่งเตาเผาขนาดใหญ่-ที่ทรงพลังมาก
"เรารู้สึกตื่นเต้นกับความก้าวหน้าด้านเซรามิกนี้ และยินดีทำงานร่วมกับพันธมิตรทั้งภาครัฐและเอกชนเพื่อเปลี่ยนเทคโนโลยีนี้เพื่อใช้ในการใช้งานจริง" Xu กล่าว
บทความ "การสังเคราะห์แฮฟเนียม คาร์ไบด์ (HfC) ผ่านหนึ่ง-ขั้นตอนการคัดเลือกปฏิกิริยาด้วยเลเซอร์ไพโรไลซิสจากสารตั้งต้นของโพลีเมอร์เหลว" ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารสมาคมเซรามิกอเมริกัน. ผู้ร่วม-ผู้เขียนรายงานนี้คือ Tiegang Fang ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศที่ NC State ผู้ร่วม-ผู้เขียนรายงานชิ้นแรก ได้แก่ Shalini Rajpoot นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ NC State และ Kaushik Nonavinakere Vinod ปริญญาเอก นักเรียนที่ NC State
การวิจัยนี้ดำเนินการโดยได้รับการสนับสนุนจากศูนย์การผลิตเซรามิกขั้นสูงแบบเติมเนื้อวัสดุ ซึ่งตั้งอยู่ที่มหาวิทยาลัยนอร์ธแคโรไลนาที่เมืองชาร์ลอตต์
