التصنيع المضافة السلبية من مجمع على شكل الكربيدات البورون
Summary
طريقة تسمى التصنيع المضافة السلبية يستخدم لإنتاج القرب من كربيد البورون على شكل معقد تماما الكثيفة أجزاء من جداول طول مختلف. هذا الأسلوب ممكن عن طريق صياغة تعليق الرواية تنطوي ريزورسينول-فورمالدهايد كعامل مجمد فريد الذي يترك وراءه الكربون متجانسة تلبد المعونة بعد انحلال حراري.
Abstract
كربيد البورون (ب4ج) واحد من أصعب المواد في الوجود. ومع ذلك، هذه الخاصية جذابة يحد أيضا من ماتشينيبيليتي به إلى الأشكال المعقدة لارتداء عالية وصلابة عالية وتطبيقات المواد خفيفة الوزن مثل الدروع. للتغلب على هذا التحدي، يعمل التصنيع المضافة السلبية (صباحا) لإنتاج هندستها المعقدة من الكربيدات البورون على نطاقات مختلفة الطول. أولاً ينطوي صباحا السلبية جيلكاستينج تعليق إلى العفن بلاستيك طباعة 3D. العفن هو ثم حلت بعيداً، تاركين وراءهم هيئة خضراء كنسخة سلبية. ريزورسينول-فورمالدهايد (RF) يستخدم كعامل مجمد رواية لأنه على عكس الهلاميات المائية التقليدية، ليس هناك سوى القليل للا انكماش، مما يسمح لقوالب معقدة للغاية لاستخدامها. وعلاوة على ذلك، يمكن أن بيروليزيد هذا عامل مجمد تترك وراءها wt ~ 50% كربون، الذي مساعدة فعالة للغاية تلبد ب4جيم بسبب هذا التوزيع متجانسة عالية من الكربون في الموقع داخل مصفوفة4ج ب، أقل من 2 ٪ مسامية يمكن أن يتحقق بعد تلبد. ويبرز هذا البروتوكول بالتفصيل المنهجية لخلق قرب أجزاء كربيد البورون كثيفة تماما مع هندستها معقدة للغاية.
Introduction
كربيد البورون (ب4ج), مع فيكرز صلابة من حوالي 38 برنامج العمل العالمي، كما هو معروف ثالث أصعب المواد المتاحة تجارياً، وراء الماس (~ 115 GPa) ونتريد البورون مكعب (~ 48 GPa). هذه الخاصية معينة، جنبا إلى جنب مع كثافة منخفضة (2.52 غرام/سم3)، يجعلها جذابة لتطبيقات الدفاع مثل الدروع1. وقد ب4ج أيضا نقطة انصهار عالية، ومقاومة التآكل متفوقة، وامتصاص النيوترونات عالية عبر الباب2،،من34. ومع ذلك، يتطلب استخدام هذه الخصائص الميكانيكية مواتية عادة ب4ج تكون متكلس بكثافة عالية. الملحة الساخنة الطريقة تقليدية تلبد ب4ج للتكثيف كاملة. هذا الأسلوب غالباً ما يقتصر على هندستها بسيطة مع انحناء محدودة وموحدة إلى حد ما سمك. باهظة الثمن وذات العمالة الكثيفة بالقطع مع الكريستالات الماس الأدوات أو الليزر قطع مطلوب لتقديم ميزات أكثر دقة أو أكثر تعقيداً.
بدلاً من ذلك، يمكن أن تنتج تقنيات تشكيل الغروية مع تلبد ضغط أقل كثافة قرب كامل أجزاء التي تتطلب الحد الأدنى للا القطع. نظراً لعدم وجود ضغط خارجي أثناء عملية التوحيد، تتم إضافة الإيدز تلبد عادة إلى المتوسطة السيراميك لزيادة فعالية تلبد بريسوريليس. الكربون يستخدم عادة كوسيلة مساعدة تلبد ب4ج5،،من67. ويمكن استخدام مختلف مصادر الكربون، مثل نانوحبيبات مساحيق أو مواد عضوية متفحمة من انحلال حراري،. توزيع متجانس للكربون الذي تلبد المعونة على طول حدود الحبوب يعد عاملاً هاما للحصول على التكلس موحد ب4جيم ولذلك، تركيز الكربون وحجم الجسيمات4ج ب هي أيضا مهمة ومترابطة من العوامل تلبد الأجزاء بكثافة عالية8.
واحدة من التقنيات تشكيل الغروية الواعدة للحصول على قطع السيراميك على شكل معقد جيلكاستينج. هذا الأسلوب ينطوي على الإدلاء بتعليق سيراميك مع مونومر عضوية في قالب الذي بوليميريزيس في الموقع بمثابة جل9،،من1011. الهلام موثق لتشكيل هيئة خضراء في شكل العفن قوية بما يكفي التعامل معها دون الكسر في خطوات المعالجة اللاحقة. سبق الهندسات العفن 3D مستحيلاً الآن يمكن أن تنتج من خلال تقنيات منخفضة التكلفة المستندة إلى البوليمر المضافة التحويلية (ص) مثل المجسمة (SLA) وترسب تنصهر النمذجة (FDM)12. توفر الطابعات ثلاثية الأبعاد الأخيرة فتحت إمكانيات جديدة لتصميم السيراميك مع هندستها معقدة للغاية.
تصنيع المواد المضافة السلبية هو أسلوب الذي يجمع بين جيلكاستينج مع قوالب طباعة 3D الذبيحة. تعقد الجزء السيراميك ارتباطاً مباشرا بمدى تعقيد قالب تصميم. الآن يمكن أن تكون تصميمات العفن متطورة للغاية مع ظهور طابعات 3D البلاستيكية عالية الدقة. على سبيل المثال، يمكن استخدام 3D أدوات المسح لالتقاط ملامح الفرد وإدماجه في قوالب. باستخدام الساعة السلبية، يمكن إنشاء الدروع السيراميك خفيفة الوزن مصممة للفرد في حجم الجسم والشكل. يمكن أن توفر مثل هذه التخصيصات تصميم أخف وزن الدروع التنقل المحسن للمستخدمين.
كتابة أخرى تقنيات صباحا السيراميك الشائعة مثل الحبر مباشرة (سيبدي)، الليزر الانتقائي التكلس (سلس)، والموثق النفث (BJ) أيضا فعالة في إنتاج قطع السيراميك على شكل معقد. ومع ذلك، معظم هذه التقنيات مفيدة فقط لإنتاج هياكل مسامية الجميلة وليست فعالة عندما رفع تصل إلى أجزاء كبيرة، مثل الدروع التطبيقات14،13،،من1516، 17-وعلاوة على ذلك، معظم هذه التقنيات ليست ممكنة عمليا لارتفاع حجم الإنتاج بسبب ارتفاع النفقات. ولذلك، صباحا السلبية طريق المفضل وغير مكلفة نسبيا للإنتاج الصناعي-مستوى أجزاء واسعة النطاق.
يجب أن تكون منخفضة في اللزوجة أن الإيقاف4ج ب استخدامها جيلكاستينج وتحتوي على عامل مجمد وتلبد المعونة. ويتم اختيار ريزورسينول وفورمالدهايد لقدرتها على تفاعلات polycondensation لتشكيل شبكة ريزورسينول-فورمالدهايد (RF)، مما يساعد على ربط الجسيمات4ج ب معا. الهلاميات المائية التقليدية المستخدمة جيلكاستينج تقتصر على قوالب مع النوى جوفاء بسبب الانكماش إلى الداخل عالية ذوي الخبرة أثناء عملية التجفيف18. منذ RF يستخدم عادة وتستطي، هناك القليل من لا انكماش، مما يسمح باستخدام قوالب على شكل أكثر ترابطاً. وهناك ميزة أخرى لاستخدام الترددات اللاسلكية هو أنه يمكن التحكم في معدل جيليشن بتغيير الرقم الهيدروجيني للتعليق (الشكل 3). بالإضافة إلى ذلك، يمكن إعداد المعلقات المحتوية على ريسورسينول أو الفورمالديهايد في المتقدم وتخزينها بشكل منفصل حتى تكون جاهزة للصب. الأهم من ذلك، يمكن بيروليزيد هلام الترددات اللاسلكية تترك وراءها الكربون % wt 5019. يمكن أن تساعد هذا التوزيع متجانسة عالية من الكربون التكثيف ب4ج بكثافة قرب الكامل خلال تلبد. يتم استخدام 15% wt من الترددات اللاسلكية بالنسبة إلى كربيد البورون في صياغة التعليق توفير 7.5 في المائة بالوزن من الكربون بعد انحلال حراري أجزاء المدلى بها.
والهدف العام لهذا العمل الجمع بين التقنيات التقليدية جيلكاستينج مع قدرات الطباعة ثلاثية الأبعاد غير مكلفة وعامل مجمد فريدة من نوعها للحصول على كثافة قرب كامل أجزاء كربيد البورون مع هندستها معقدة للغاية. بالإضافة إلى الخزف، يمكن تطبيق صباحا السلبية إلى حقول أخرى مادية لإنشاء الهندسات جديدة تماما من نظم متعددة المواد. المنهجية الموصوفة هنا يتوسع في العمل الذي قدم في Lu et al. 8 وهو يهدف إلى توفير بروتوكول أكثر تفصيلاً لاستنساخ تلك النتائج.
Protocol
Representative Results
Discussion
منهجية التصنيع المضافة السلبية الموصوفة في البروتوكول يسمح لأجزاء كربيد البورون على شكل مجمع إنتاجها في كثافة كامل تقريبا بعد تلبد في درجة حرارة مثلى من 2290 درجة مئوية. العديد من الخطوات الأولى المتعلقة بإعداد والصب هي الأكثر أهمية لتوليد عالية جودة المدلى بها مع الحد الأدنى من العيوب. إذ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
أنجز هذا العمل تحت إشراف “وزارة الطاقة الأمريكية” “مختبر لورانس ليفرمور الوطني” تحت العقد دي-AC52-07NA27344. الإصدار إيم LLNL-جرنل-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 |
Referências
- An, Q. Prediction of superstrong τ -boron carbide phase from quantum mechanics. Physical Review B. 95 (10), 100101 (2017).
- Thévenot, F. Boron carbide – A comprehensive review. Journal of the European Ceramic Society. 6, 205-225 (1990).
- Lee, H., Speyer, R. F. Pressureless sintering of boron carbide. Journal of the American Ceramic Society. 86, 1468-1473 (2003).
- Deng, J. X. Erosion wear of boron carbide ceramic nozzles by abrasive air-jets. Materials Science and Engineering: A. 408, 227-233 (2005).
- Schwetz, K. A., Grellner, W. The influence of carbon on the microstructure and mechanical properties of sintered boron-carbide. Journal of Less-Common Metals. 82, 37-47 (1981).
- Schwetz, K. A., Vogt, G. Process for the production of dense sintered shaped articles of polycrystalline boron carbide by pressureless sintering. US. , (1980).
- Suzuki, H., Hase, T., Maruyama, T. Effect of carbon on sintering of boron carbide. Journal of the Ceramic Association, Japan. 87, 430-433 (1979).
- Lu, R., et al. Complex shaped boron carbides from negative additive manufacturing. Materials & Design. 148, 8-16 (2018).
- Omatete, O. O., Janney, M. A., Nunn, S. D. Gelcasting: From laboratory development toward industrial production. Journal of the European Ceramic Society. 17, 407-413 (1997).
- Yang, J., Yu, J., Huang, Y. Recent developments in gelcasting of ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 31, 2569-2591 (2011).
- Gilissen, R., Erauw, J. P., Smolders, A., Vanswijgenhoven, E., Luyten, J. Gelcasting a near net shape technique. Materials & Design. 21, 251-257 (2000).
- Travitzky, N., et al. Additive manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
- Zocca, A., Colombo, P., Gomes, C. M., Gunster, J. Additive Manufacturing of Ceramics: Issues, Potentialities, and Opportunities. Journal of the American Ceramic Society. 98, 1983-2001 (2015).
- Deckers, J., Vleugels, J., Kruthl, J. P. Additive Manufacturing of Ceramics: A Review. Journal of Ceramic Science and Technology. 5, 245-260 (2014).
- Costakis, W. J., Rueschhoff, L. M., Diaz-Cano, A. I., Youngblood, J. P., Trice, R. W. Additive manufacturing of boron carbide via continuous filament direct ink writing of aqueous ceramic suspensions. Journal of the European Ceramic Society. 36, 3249-3256 (2016).
- Colombo, P., Schmidt, J., Franchin, G., Zocca, A., Gunster, J. Additive manufacturing techniques for fabricating complex ceramic components from preceramic polymers. American Ceramic Society Bulletin. 96, 16-23 (2017).
- Olsson, A., Hellsing, M. S., Rennie, A. R. New possibilities using additive manufacturing with materials that are difficult to process and with complex structures. Physica Scripta. 92, 053002 (2017).
- Dhara, S., Kamboj, R. K., Pradhan, M., Bhargava, P. Shape forming of ceramics via gelcasting of aqueous particulate slurries. Bulletin of Materials Science. 25, 565-568 (2002).
- Lewicki, J. P., Fox, C. A., Worsley, M. A. On the synthesis and structure of resorcinol-formaldehyde polymeric networks – Precursors to 3D-carbon macroassemblies. Polymer. 69, 45-51 (2015).
- Swenberg, J. A., et al. Formaldehyde Carcinogenicity Research: 30 Years and Counting for Mode of Action, Epidemiology, and Cancer Risk Assessment. Toxicologic Pathology. 41, 181-189 (2013).
- Kuo, C. C., Chen, C. M., Chang, S. X. Polishing mechanism for ABS parts fabricated by additive manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 91, 1473-1479 (2017).
- Kires, M. Archimedes’ principle in action. Physics Education. 42, 484-487 (2007).
- Zheng, X., et al. Design and optimization of a light-emitting diode projection micro-stereolithography three-dimensional manufacturing system. Review of Scientific Instruments. 83, 125001 (2012).
- Franchin, G., Colombo, P. Porous Geopolymer Components through Inverse Replica of 3D Printed Sacrificial Templates. Journal of Ceramic Science and Technology. 6, 105-111 (2015).
