Fabricação aditiva negativa do complexo em forma de carbonetos de boro
Summary
Um método chamado fabricação aditiva negativa é usado para produzir perto de peças totalmente denso complexo em forma de carboneto de boro de várias escalas de comprimento. Esta técnica é possível através da formulação de uma suspensão de romance envolvendo resorcinol-formaldeído como um único agente de coagulação que deixa para trás um carbono homogêneo sinterização auxílio após a pirólise.
Abstract
Carboneto de boro (B4. C) é um dos materiais mais difíceis em existência. No entanto, essa propriedade atraente também limita sua machineability em formas complexas de alto desgaste, alta dureza e aplicativos leves de material tais como armaduras. Para superar este desafio, fabricação aditiva negativa (AM) é empregada para produzir geometrias complexas de carbonetos de boro em diversas escalas de comprimento. Negativo AM primeiro envolve gelcasting uma suspensão em um molde de plástico 3D-impresso. O molde é então dissolvido, deixando para trás um corpo verde como uma cópia do negativo. Resorcinol-formaldeído (RF) é usado como um agente de coagulação novo porque ao contrário de hidrogel tradicional, há pouco a nenhum encolhimento, que permite a moldes extremamente complexos ser usado. Além disso, este agente de coagulação pode ser desperdiçado para deixar para trás 50 ~ wt % de carbono, que é uma ajuda de sinterização altamente efetiva para B4C. devido a esta distribuição altamente homogénea de carbono em situ dentro da matriz de4C B, a menos de 2% de porosidade pode ser alcançado após a sinterização. Este protocolo destaca detalhadamente a metodologia para a criação de perto de carboneto de boro totalmente denso peças com geometrias complexas.
Introduction
Carboneto de boro (B4. C), com um Vickers dureza de aproximadamente 38 GPa, é conhecido como o terceiro mais difícil material comercialmente disponível, atrás de diamantes (~ 115 GPa) e nitreto de boro cúbico (~ 48 GPa). Esta propriedade particular, juntamente com uma baixa densidade (2,52 g/cm3), o torna atraente para aplicações de defesa como de armaduras1. B4C também tem um alto ponto de fusão, resistência ao desgaste superior e absorção de nêutrons de alta cruz seção2,3,4. No entanto, a utilização destas propriedades mecânicas favoráveis geralmente exige B4C para ser sinterizado de alta densidade. Prensagem a quente é um método convencional para sinterização B4C a densificação completa. Esta técnica é frequentemente limitada para geometrias simples com curvatura limitada e razoavelmente uniforme de espessura. Caro e trabalhoso usinagem com corte de ferramental ou laser de diamante policristalino é necessário apresentar características mais complexas ou mais finas.
Alternativamente, técnicas forma coloidais com pressão-menos sinterização podem produzir peças de densidade quase cheia que exigem mínima a não fazer à máquina. Devido à falta de pressão externa durante a consolidação, sinterização de SIDA é normalmente adicionadas ao meio de cerâmica para aumentar a eficácia de sinterização sem pressão. Carbono é comumente usado como um auxílio de sinterização para B4C5,6,7. Várias fontes de carbono, tais como nanopartículas pós ou produtos orgânicos carbonizados de pirólise, podem ser usadas. Distribuição homogênea do carbono sinterização ajuda ao longo dos limites de grão é um fator importante para a obtenção de sinterização uniforme de B4C. Portanto, concentração de carbono e tamanho de partícula de4C B são igualmente importantes e inter-relacionados fatores para sinterização de peças de alta densidade8.
Dentre as técnicas de forma coloidais mais promissoras para a obtenção de peças de cerâmicas em forma de complexas é gelcasting. Esta técnica envolve a carcaça de uma suspensão cerâmica com um monômero orgânico em um molde que se polimeriza em situ para atuar como um gel de9,10,11. O gel serve como um ligante para formar um corpo verde com a forma do molde que é forte o suficiente para serem manipulados sem ruptura nas etapas de processamento subsequente. Anteriormente, geometrias de molde 3D impossível agora podem ser produzidas através de baixo custo baseado em polímero aditivo (AM) de fabricação técnicas como estereolitografia (SLA) e deposição fundida modelagem (FDM)12. A recente disponibilidade de impressoras 3D abriu novas possibilidades para a concepção de cerâmica com geometrias complexas.
Fabricação aditiva negativa é uma técnica que combina gelcasting com moldes 3D-impresso sacrificiais. A complexidade da peça cerâmica está diretamente relacionada com a complexidade do design do molde. Projetos de molde podem agora ser incrivelmente sofisticados com o advento do plástico impressoras 3D de alta resolução. Por exemplo, ferramentas de digitalização em 3D pode ser usado para capturar os contornos do indivíduo e ser incorporado em moldes. Usando AM negativo, leves armaduras cerâmicas sob medidas para o tamanho do corpo do indivíduo e a forma podem ser criadas. Essas personalizações de projeto podem fornecer armaduras de peso mais leves com mobilidade aprimorada para os usuários.
Outras técnicas de AM cerâmicas comuns como tinta direta escrever (DIW), sinterização seletiva a laser (SLS) e o fichário jorrando (BJ) também são eficazes em produzir as peças de cerâmicas em forma de complexos. No entanto, a maioria destas técnicas só é úteis para a produção de estruturas porosas bem e não é eficientes quando escala até peças grandes, como armadura aplicações13,14,15,16, 17. Além disso, a maioria destas técnicas não é viável para a produção de alto volume, devido às elevadas despesas. Portanto, AM negativo é uma rota preferencial e relativamente barata para produção em escala industrial de peças em grande escala.
As suspensões de4C B usadas para gelcasting devem ser baixa em viscosidade e conter um gelificante e sinterização de auxílio. Resorcinol e formaldeído são escolhidos pela sua capacidade de sofrer reações de policondensação para formar uma rede de resorcinol-formaldeído (RF), que ajuda a unir as partículas de4C B. Hidrogel tradicional usado para gelcasting limitam-se a moldes com núcleos ocos, devido o alto encolhimento interior experimentado durante a secagem do processo18. Desde que a RF é comumente usado como um aerogel, há pouco ou nenhum encolhimento, que permite o uso de moldes mais intricada em forma. Outra vantagem do uso de RF é que a taxa de gelificação pode ser controlada alterando o pH da suspensão (Figura 3). Além disso, suspensões contendo resorcina ou formaldeído podem ser preparadas em avançado e armazenados separadamente, até que estejam prontos para fundição. O mais importante, o gel de RF pode ser desperdiçado para deixar para trás 50 wt % carbono19. Esta distribuição altamente homogénea de carbono pode auxiliar a densificação da B4C para densidades quase cheia durante a sinterização. 15% em peso de RF em relação ao carboneto de boro é usado na formulação da suspensão para fornecer 7,5% em peso de carbono após pirólise da parte do elenco.
O objetivo geral deste trabalho é combinar técnicas tradicionais gelcasting com capacidade de impressão 3D barata e um único agente de coagulação para obter densidade quase cheia de carboneto de boro peças com geometrias complexas. Além de cerâmica, AM negativo pode ser aplicado a outros campos materiais para criar inteiramente novas geometrias de sistemas multi materiais. A metodologia descrita aqui expande sobre os trabalhos apresentados no Lu et al 8 e tem como objetivo fornecer um protocolo mais detalhado para a reprodução desses resultados.
Protocol
Representative Results
Discussion
A metodologia de fabricação de aditiva negativa descrita no protocolo permite complexa de carboneto de boro em forma de peças a ser produzido em densidade quase completa após a sinterização a uma temperatura ideal de 2290 ° C. Os primeiros passos de diversos relacionados com a preparação e fundição são os mais críticos para a geração de um elenco com defeitos mínimos de alta qualidade. Se a viscosidade da suspensão é muito alta, mistura pobre irá ocorrer. A porosidade da peça sinterizada também é af…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi realizado sob os auspícios do departamento de energia dos EUA por Lawrence Livermore National Laboratory sob contrato DE-AC52-07NA27344. Lançamento IM LLNL-JRNL-750634.
Materials
| Boron carbide powder 1250F | Tetrabor Ceramics | Lot 211M419 | >96% purity |
| Boron carbide powder 1500F | Tetrabor Ceramics | Lot 209M102/9 | >96% purity |
| Boron carbide powder 3000F | Tetrabor Ceramics | Lot 111m53/9 | >96% purity |
| Polyethylene Imine (PEI) | Sigma Aldrich | MKBP3417V | Averaged MW ~25,000 by L.S. |
| Resorcinol | Sigma Aldrich | MKBG6751V | BioXtra, ≥99% |
| Formaldehyde | Fisher Scientific | F79-1 | 37% by weight; Stabilized with 10-15% Methanol |
| Acetic Acid | Sigma Aldrich | SKU 695092 | Glacial ≥99.7% |
| Acetone | Sigma Aldrich | SKU 179124 | ACS Reagent Grade ≥99.5% |
| Water | LLNL In-house (Milli-Q) | ||
| Planetary Mixer | Thinky | AR-250 | Fits 150mL and 300mL Thinky containers |
| Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) plastic filament | eSUN | Natural color | |
| Taz 6 (3D printer) | Lulzbot | FDM 3D printer | |
| 4%H2/96%Ar gas | Air Gas | UHP | 4% Hydrogen, balanced Argon |
| Helium gas | Air Gas | UHP | Helium |
| Heating oven | Neytech | Vulcan 9493308 | Oven for 80 °C curing |
| Quartz tube furnace | Applied Test Systems, Inc. | LEA 05-000075 | Furnace for 1050 °C carbonization |
| Graphite furnace | Thermal Technology LLC | Sintering furnace | |
| Scanning Electron Microscope (SEM) | Jeol | JSM-7401F | |
| pH meter | Thermo Scientific | Orion 4 Star | calibrated with buffer standards |
| Rheometer | TA Instrument | AR2000ex | For measurement of viscosity |
| X-ray Diffractometer (XRD) | Bruker | AX D8 Advanced | |
| Analytical balance | Mettler Toledo | XS104 | |
| Bruker EVA | XRD Analysis Software |
Riferimenti
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