Produzione additiva negativa del complesso a forma di carburi di boro
Summary
Un metodo chiamato produzione additiva negativo è usato per produrre vicino carburo del boro complesso completamente densi a forma parti di varie scale di lunghezza. Questa tecnica è possibile tramite la formulazione di una sospensione di romanzo che coinvolge il resorcinolo-formaldeide come agente gelificante unico che lascia dietro di sé un omogeneo carbonio sinterizzazione aiuti dopo la pirolisi.
Abstract
Carburo di boro (B4C) è uno dei materiali più duri in esistenza. Tuttavia, questa proprietà attraente limita anche la macchinabilità in forme complesse per usura elevata, elevata durezza e applicazioni di materiali leggere quali armature. Per superare questa sfida, negativo produzione additiva (AM) è impiegato per produrre geometrie complesse di carburi di boro a varie scale di lunghezza. AM negativo prevede innanzitutto la gelcasting una sospensione in uno stampo di plastica 3D-stampato. Lo stampo è quindi sciolto, lasciando dietro di sé un corpo verde come una copia negativa. Resorcinolo-formaldeide (RF) è usato come agente gelificante novello perché a differenza dei tradizionali idrogeli, c’è poco da nessun restringimento, che permette per stampi estremamente complessi da utilizzare. Inoltre, questo agente gelificante può essere pirolizzato per lasciare dietro ~ 50 wt % di carbonio, che è un aiuto di sinterizzazione altamente efficace per B4C. a causa di questa distribuzione altamente omogenea di carbonio in situ entro la matrice4C B, a meno di 2% porosità può essere raggiunto dopo la sinterizzazione. Questo protocollo evidenzia in dettaglio la metodologia per la creazione di vicino parti completamente densi carburo di boro con geometrie molto complesse.
Introduction
Carburo di boro (B4C), con un Vickers durezza di circa 38 GPa, è conosciuto come il terzo più duro materiale commercialmente disponibile, dietro di diamanti (~ 115 GPa) e nitruro di boro cubico (~ 48 GPa). Questa proprietà particolare, con una bassa densità (2,52 g/cm3), lo rende attraente per le applicazioni di difesa come armature1. B4C ha anche un alto punto di fusione, resistenza all’usura superiore e assorbimento del neutrone alta croce sezione2,3,4. Tuttavia, l’utilizzo di queste favorevoli proprietà meccaniche in genere richiede B4C per essere sinterizzato ad alta densità. Pressatura a caldo è un metodo convenzionale per la sinterizzazione B4C a completo addensamento. Questa tecnica è spesso limitata alle geometrie semplici con curvatura limitata e abbastanza uniforme di spessore. Costoso e laborioso di lavorazione con taglio laser o utensili a diamante policristallino è richiesta di introdurre caratteristiche più sottili o più complesse.
In alternativa, tecniche di formatura colloidale con meno pressione sinterizzazione possono produrre parti di vicino-completa densità che richiedono minima o nessuna lavorazione. A causa di una mancanza di pressione esterna durante il consolidamento, sinterizzazione aids vengono normalmente aggiunti al mezzo di ceramica per aumentare l’efficacia di sinterizzazione senza pressione. Carbonio è comunemente usato come un aiuto di sinterizzazione per B4C5,6,7. Varie fonti di carbonio, quali nanoparticelle polveri o sostanze organiche carbonizzato da pirolisi, possono essere utilizzati. Distribuzione omogenea del carbonio sinterizzazione aiuti lungo i confini di grano è un fattore importante per l’ottenimento di sinterizzazione uniforme di B4C. Di conseguenza, concentrazione di carbonio e dimensione delle particelle di B4C sono anche importanti e correlati fattori per la sinterizzazione di parti ad alta densità8.
Una delle più promettenti tecniche che formare colloidale per ottenere pezzi di ceramica a forma complesse è gelcasting. Questa tecnica prevede la colata una sospensione in ceramica con un monomero organico in uno stampo che polimerizza in situ per agire come un gel9,10,11. Il gel serve come legante per formare un corpo di colore verde a forma di stampo che è abbastanza forte per essere gestiti senza rotture nelle fasi di lavorazione successive. In precedenza geometrie impossibili stampo 3D ora possono essere prodotto attraverso basso costo a base di polimeri additivo (AM) di produzione tecniche come la stereolitografia (SLA) e deposizione fusa modellazione (FDM)12. La recente disponibilità di stampanti 3D ha aperto nuove possibilità per la progettazione di ceramica con geometrie molto complesse.
Produzione additiva negativo è una tecnica che combina gelcasting con stampi 3D-stampato sacrificale. La complessità della parte in ceramica è direttamente correlata alla complessità della progettazione di stampi. Disegni di muffa possono ora essere incredibilmente sofisticati con l’avvento di stampanti 3D in plastica di alta risoluzione. Ad esempio, 3D strumenti di scansione può essere usato per catturare i contorni di un individuo ed essere incorporati negli stampi. Utilizzando AM negativo, armature in ceramica leggere su misura per le dimensioni del corpo dell’individuo e la forma possono essere creati. Tali personalizzazioni di progettazione possono fornire armature di peso leggeri con maggiore mobilità per gli utenti.
Altre tecniche di AM in ceramica comune come diretto inchiostro scrivono (DIW), sinterizzazione laser selettiva (SLS) e raccoglitore jetting (BJ) sono anche efficaci nella produzione di pezzi di ceramica a forma complesse. Tuttavia, la maggior parte di queste tecniche sono utile per la produzione di strutture porose bene solo e non sono efficiente quando si ridimensiona fino a pezzi di grandi dimensioni ad esempio armatura applicazioni13,14,15,16, 17. Inoltre, la maggior parte di queste tecniche non sono fattibile per elevati volumi di produzione a causa di alte spese. Di conseguenza, AM negativo è un itinerario comodo e relativamente poco costoso per la produzione industriale a livello delle parti su larga scala.
Le sospensioni di4C B utilizzate per gelcasting devono essere bassa viscosità e contengono un agente gelificante e aiuti di sinterizzazione. Resorcinolo e formaldeide sono scelti per la loro capacità di subire reazioni di policondensazione per formare una rete di resorcinolo-formaldeide (RF), che contribuisce a legare insieme le particelle di4C B. Idrogeli tradizionali utilizzati per gelcasting sono limitati a stampi con hollow core a causa l’elevato ritiro interiore sperimentato durante l’essiccazione del processo18. Poiché RF è comunemente usato come un aerogel, c’è poco da nessun restringimento, che permette l’utilizzo di stampi forme più complesse. Un altro vantaggio dell’utilizzo di RF è che il tasso di gelificazione possa essere controllato da alterare il pH della sospensione (Figura 3). Inoltre, sospensioni contenenti resorcinolo o formaldeide possono essere preparati in avanzate e immagazzinati separatamente fino a quando non sono pronti per la fusione. La cosa più importante, il gel di RF può essere pirolizzato per lasciare dietro 50 wt % carbonio19. Questa altamente omogenea distribuzione del carbonio può aiutare la densificazione di B4C a densità vicino a pieno durante la sinterizzazione. 15% in peso di RF rispetto al carburo di boro viene utilizzato nella formulazione della sospensione per fornire 7,5% in peso di carbonio dopo la pirolisi delle parti cast.
L’obiettivo generale di questo lavoro è quello di combinare le tecniche tradizionali gelcasting con funzionalità di stampa 3D poco costoso ed un unico agente gelificante per ottenere densità di vicino-completa parti di carburo di boro con geometrie molto complesse. Oltre alle ceramiche, AM negativo può essere applicato ad altri campi del materiale per creare interamente nuove geometrie dei sistemi multi-materiali. La metodologia descritta qui si espande sul lavoro presentato in Lu et al. 8 e mira a fornire un protocollo più dettagliato per la riproduzione di tali risultati.
Protocol
Representative Results
Discussion
La metodologia di produzione additiva negativo descritto nel protocollo consente parti di carburo di boro a forma complessa da produrre alle densità quasi completa dopo la sinterizzazione ad una temperatura ottimale di 2290 ° C. I primi passi diverse legati alla preparazione e colata sono i più critici per la generazione di un cast con minimi difetti di alta qualità. Se la viscosità della sospensione è troppo elevata, scarsa miscelazione si verificherà. La porosità della parte sinterizzata è influenzata anche da…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato effettuato sotto l’egida del US Department of Energy da Lawrence Livermore National Laboratory sotto contratto DE-AC52-07NA27344. Rilascio 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 |
Referências
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