Byrjun í framleiðslu á áloxíðdufti í 3D prentunarefnum
Að ganga inn í rannsóknarstofu Northwestern Polytechnical University, ljósherðingar3D prentari suðar lítillega og leysigeislinn hreyfist nákvæmlega í keramikblöndunni. Aðeins nokkrum klukkustundum síðar er keramikkjarni með flókinni uppbyggingu eins og völundarhús til sýnis – hann verður notaður til að steypa túrbínublöð flugvéla. Prófessor Su Haijun, sem hefur umsjón með verkefninu, benti á viðkvæma íhlutinn og sagði: „Fyrir þremur árum þorðum við ekki einu sinni að hugsa um slíka nákvæmni. Lykilbyltingin er falin í þessu óáberandi áloxíðdufti.“
Eitt sinn var áloxíðkeramik eins og „vandræðanemi“ á sviði3D prentun– mikill styrkur, háhitaþol, góð einangrun, en þegar það var prentað lenti það í mörgum vandamálum. Við hefðbundnar aðferðir hefur áloxíðduft lélegan flæði og stíflar oft prenthausinn; rýrnunarhraðinn við sintrun getur verið allt að 15%-20% og hlutar sem voru prentaðir með mikilli fyrirhöfn afmyndast og springa um leið og þeir brenna; flóknar mannvirki? Það er enn meiri lúxus. Verkfræðingar eru áhyggjufullir: „Þetta er eins og þrjóskur listamaður, með villtar hugmyndir en ekki nægilega margar hendur.“
1. Rússnesk formúla: Að setja „keramikbrynju“ áálfylki
Vendipunkturinn kom fyrst frá byltingunni í efnishönnun. Árið 2020 tilkynntu efnisfræðingar frá Þjóðarháskólanum í vísindum og tækni (NUST MISIS) í Rússlandi byltingarkennda tækni. Í stað þess að blanda einfaldlega áloxíðdufti, settu þeir hreint álduft í sjálfsofn og notuðu vatnshitaoxun til að „rækta“ lag af áloxíðfilmu með nákvæmlega stýranlegri þykkt á yfirborði hverrar álagningar, rétt eins og að setja lag af nanó-brynju á álkúlu. Þetta „kjarna-skeljarbyggingar“ duft sýnir ótrúlega frammistöðu við leysigeisla 3D prentun (SLM tækni): hörkan er 40% hærri en í hreinum álum og stöðugleiki við háan hita er mjög bættur og uppfyllir beint kröfur flugvéla.
Prófessor Alexander Gromov, verkefnisstjóri, setti fram skýra samlíkingu: „Áður fyrr voru samsett efni eins og salöt – hvert þeirra réði sínu máli; duftið okkar er eins og samlokur – ál og súrál bíta hvort annað lag fyrir lag og hvorugt getur verið án hins.“ Þessi sterka tenging gerir efninu kleift að sýna fram á getu sína í flugvélahlutum og ofurléttum grindum og byrjar jafnvel að ögra landsvæði títanmálmblöndum.
2. Kínversk viska: töfrar þess að „setja“ keramik
Stærsti gallinn við prentun á áloxíðkeramik er rýrnun við sintrun – ímyndaðu þér að þú hnoðir leirmynd vandlega og hún minnkar niður í stærð kartöflu um leið og hún fer inn í ofninn. Hversu mikið myndi hún falla saman? Í byrjun árs 2024 komu niðurstöður sem teymi prófessors Su Haijun við Northwestern Polytechnical University birti í Journal of Materials Science & Technology af stað fyrir iðnaðinn: þeir fengu kjarna úr áloxíðkeramik með næstum engum rýrnun og aðeins 0,3% rýrnunartíðni.
Leyndarmálið er að bæta viðálduftí áloxíð og spila síðan nákvæman „andrúmsloftsgaldur“.
Bætið við áldufti: Blandið 15% af fínu áldufti saman við keramikblönduna.
Stjórna andrúmsloftinu: Notið argon gasvörn í upphafi sintrunar til að koma í veg fyrir að álduft oxist.
Snjallrofi: Þegar hitastigið fer upp í 1400°C, skiptir skyndilega um andrúmsloftið í loft.
Oxun á staðnum: Álduft bráðnar samstundis í dropa og oxast í áloxíð, og rúmmálsþensla vegur upp á móti samdrætti.
3. Bindiefnabyltingin: álduft breytist í „ósýnilegt lím“
Þó að rússnesku og kínversku teymin vinni hörðum höndum að því að breyta dufti, hefur önnur tæknileg leið rólega þroskast – að nota álduft sem bindiefni.3D prentunBindiefni eru að mestu leyti lífræn plastefni, sem skilja eftir holur þegar þau brenna við fituhreinsun. Einkaleyfi innanlandsliðs frá árinu 2023 notar aðra nálgun: að breyta áldufti í vatnsleysanlegt bindiefni47.
Við prentun úðar stúturinn nákvæmlega „lími“ sem inniheldur 50-70% álduft á áloxíðduftlagið. Þegar kemur að fituhreinsunarstiginu er lofttæmi dregið inn og súrefni hleypt í gegn og álduftið oxast í áloxíð við 200-800°C. Eiginleikinn um rúmmálsþenslu upp á meira en 20% gerir því kleift að fylla virkt í svigrúmin og draga úr rýrnunarhraðanum niður í minna en 5%. „Þetta jafngildir því að taka niður vinnupallinn og byggja nýjan vegg á sama tíma, fylla í sín eigin holur!“ lýsti verkfræðingur þessu svona.
4. List agnanna: sigur kúlulaga duftsins
„Útlit“ áloxíðdufts hefur óvænt orðið lykillinn að byltingarkenndum uppgötvunum – þetta útlit vísar til lögun agnanna. Rannsókn í tímaritinu „Open Ceramics“ árið 2024 bar saman frammistöðu kúlulaga og óreglulegs áloxíðdufts í sambræddri prentun (CF³)5:
Kúlulaga duft: rennur eins og fínn sandur, fyllingarhraðinn er yfir 60% og prentunin er slétt og silkimjúk.
Óreglulegt duft: fast eins og grófur sykur, seigjan er 40 sinnum hærri og stúturinn er stíflaður til að efast um lífið
Enn betra er að þéttleiki hlutanna sem prentaðir eru með kúlulaga dufti fer auðveldlega yfir 89% eftir sintrun og yfirborðsáferðin uppfyllir staðalinn beint. „Hver notar enn „ljótt“ duft? Fljótandi efni eru bardagaárangur!“ Tæknimaður brosti og sagði að lokum.
Framtíð: Stjörnur og höf búa saman við smáa og fallega
Þrívíddar prentbyltingin á áloxíðdufti er langt frá því að vera lokið. Hernaðariðnaðurinn hefur tekið forystuna í að nota nær núll rýrnunarkjarna til að framleiða túrbóviftublöð; líftæknigeirinn hefur einbeitt sér að lífsamhæfni þess og byrjað að prenta sérsniðnar beinígræðslur; rafeindaiðnaðurinn hefur miðað á undirlag sem dreifa varma - jú, varmaleiðni og rafleiðni áloxíðs eru ómissandi.