הייצור מוספים שלילי של קומפלקס בצורת Carbides בורון
Summary
שיטה הנקראת הייצור מוספים שלילי משמש לייצור ליד מטומטמים מורכבות בצורת בורון קרביד חלקי פיסיקליות שונות. טכניקה זו אפשרית באמצעות ניסוח של השעיה הרומן מעורבים resorcinol-פורמלדהיד כסוכן ג’לי ייחודי זה משאיר מאחורי העתק הומוגנית סינטור סיוע לאחר פירוליזה.
Abstract
בורון קרביד (B4C) הוא אחד החומרים הקשה ביותר שקיימים. עם זאת, נכס אטרקטיבי זה מגביל גם את machineability לתוך צורות מורכבות עבור בלאי גבוה, קשיות גבוהה ויישומים חומרים קלים כגון שריונות. כדי להתגבר על האתגר הזה, הייצור מוספים שלילי (AM) הוא מועסק כדי לייצר לסימולציה של בורון carbides ב פיסיקליות שונות. אני שלילי כרוכה קודם gelcasting השעיה לתוך תבנית פלסטיק מודפס 3D. העובש ואז התפרקה משם, משאיר מאחורי גוף ירוק כעותק שלילי. Resorcinol-פורמלדהיד (RF) משמש כסוכן ג’לי הרומן כי בניגוד hydrogels מסורתי, יש מעט כדי לא הצטמקות, מה שמאפשר עבור תבניות מורכבים במיוחד לשמש. יתר על כן, סוכן ג’לי זה יכול להיות pyrolyzed להשאיר מאחור ~ 50 wt % פחמן, אשר הוא מכשיר מתיכות יעילים עבור B4ג בשל התפלגות זו מאוד הומוגנית של פחמן בחיי עיר בתוך מטריקס4C B, פחות מ 2% נקבוביות יכולה להיות מושגת לאחר חימום. פרוטוקול זה מדגיש בפירוט את המתודולוגיה ליצירת ליד מטומטמים בורון קרביד חלקי עם מאוד לסימולציה.
Introduction
בורון קרביד (B4C), עם ויקרס קשיות של 38 ממוצע ציונים, ידועה בשם השלישי הכי קשה חומר זמין מסחרית, מאחורי יהלום (~ 115 ממוצע ציונים), ניטריד בורון מעוקב (~ 48 ממוצע ציונים). זה מאפיין מסוים, יחד עם צפיפות נמוכה (2.52 גרם/ס”מ3), מקל אטרקטיבי עבור ההגנה יישומים כגון שריונות1. B4C גם יש נקודת התכה גבוהה, עמידות מעולה ללבוש, נייטרון גבוהה לקליטת לחצות סעיף2,3,4. עם זאת, ניצול תכונות מכניות חיוביים אלה בדרך כלל דורש B4C כדי להיות רכיבים כדי צפיפות גבוהה. לחיצה חם היא שיטה המקובלת עבור סינטור B4C כדי עיבוי בינוי מלאה. טכניקה זו הוא לרוב מוגבל גיאומטריות פשוטות עם עקמומיות מוגבל, יחסית אחיד עובי. יקר ולא עתירי עיבוד שבבי עם חיתוך יהלום polycrystalline אבזור או לייזר נדרש להציג תכונות עדינה או מורכבים יותר.
לחלופין, טכניקות ויוצרים colloidal עם פחות לחץ סינטור לייצור חלקים ליד-מלא צפיפות הדורשים מינימלי כדי לא עיבוד שבבי. עקב חוסר לחץ חיצוניים במהלך גיבוש, איידס מתיכות מתווספים בדרך כלל המדיום קרמיקה כדי להגביר את האפקטיביות של סינטור pressureless. פחמן נמצא בשימוש נפוץ כסיוע מתיכות עבור B4C5,6,7. מקורות פחמן שונים, כגון ננו-חלקיק אבקות או אורגניקס מפוחמים מ פירוליזה, יכול לשמש. התפלגות הומוגנית של פחמן סינטור סיוע לאורך גבולות תבואה הוא גורם חשוב להשגת סינטור אחיד של B4ג לכן, ריכוז פחמן וגודל החלקיקים4C B חשובים אף הם, גורמים סינטור חלקים צפיפות גבוהה8זה לזה.
אחת הטכניקות ויוצרים colloidal המבטיחים ביותר להשגת מורכבות בצורת חלקי קרמיקה היא gelcasting. טכניקה זו כוללת יציקת השעיה קרמיקה עם מונומר אורגניים לתוך תבנית אשר polymerizes בחיי עיר לפעול כמו10,9,ג’ל11. הג’ל משמש כדבק להקים גוף ירוק בצורת כייר חזקה מספיק כדי להיות מטופלים ללא שבירה בשלבי העיבוד הבאים. בעבר ניתן להפיק גיאומטריות עובש תלת-ממד אפשרי עכשיו דרך בעלות נמוכה מבוסס פולימר כתוסף בייצור (AM) טכניקות כגון stereolithography (SLA) ומשקעים מאוחה דוגמנות (FDM)12. הזמינות האחרונות של מדפסות תלת-ממד פתחה אפשרויות חדשות לעיצוב קרמי עם מאוד לסימולציה.
הייצור מוספים שלילי היא טכניקה המשלבת gelcasting עם עובש מודפס 3D ההקרבה. המורכבות של החלק קרמיקה קשורה ישירות המורכבות של העיצוב עובש. עובש עיצובים עכשיו יכול להיות מאוד מתוחכמת עם כניסתו של מדפסות תלת-ממד פלסטיק ברזולוציה גבוהה. לדוגמה, ניתן להשתמש 3D סריקה כלים כדי ללכוד את קווי המתאר של הפרט, ניתן לשלב לתוך תבניות. באמצעות AM שלילית, ניתן ליצור משקל שריונות קרמיקה המותאמים בצורה ובגודל הגוף של הפרט. להתאמות כגון אלו עיצוב יכול לספק שריונות קלים במשקל עם ניידות משופרים עבור המשתמשים.
טכניקות AM קרמיקה נפוצות אחרות כגון דיו ישיר לכתוב (DIW), חימום בלייזר סלקטיבית (SLS), קלסר לטוס (BJ) הם גם יעיל בהפקת מורכבים חלקים מקרמיקה בצורת. עם זאת, רוב שיטות אלה שימושיים רק עבור ייצור מבנים נקבובי בסדר, הם לא יעילים בעת שינוי קנה המידה עד חלקים גדולים, כגון שריון יישומים13,14,15,16, 17. יתר על כן, רוב שיטות אלה אינן ריאלי עבור נפח גבוה הייצור עקב הוצאות גבוהות. לכן, אני שלילי הוא מסלול מועדף וזולה יחסית לייצור תעשייתי ברמת חלקים בקנה מידה גדול.
המתלים4C B המשמש עבור gelcasting חייב להיות דל צמיגות ומכילים סוכן ג’לי, sintering סיוע. Resorcinol ופורמלדהיד נבחרו ביכולתם לעבור תגובות polycondensation כדי ליצור רשת resorcinol-פורמלדהיד (RF), אשר מסייע כדי לכרוך את החלקיקים4C B ביחד. Hydrogels המסורתי המשמש gelcasting מוגבלות בתבניות עם ליבות חלול עקב הצטמקות פנימה גבוהה מנוסים במהלך תהליך ייבוש18. מאז RF משמש בדרך – כלל אירוג’ל, אין הרבה כדי לא הצטמקות, מה שמקנה השימוש בתבניות בצורת יותר מסובכת. יתרון נוסף של שימוש RF הוא כי הקצב gelation יכול להיות נשלט על ידי שינוי ה-pH של המתלה (איור 3). בנוסף, המתלים resorcinol או פורמלדהיד הכוללת ניתן להכין מתקדמים והם מאוחסנים בנפרד עד שיהיו מוכנים על הליהוק. והכי חשוב, הג’ל RF יכול להיות pyrolyzed להשאיר מאחור wt 50% פחמן19. הפצה זו מאוד הומוגנית של פחמן יכול לסייע של עיבוי בינוי של B4C כדי צפיפויות ליד-מלא במהלך סינטור. 15% wt RF ביחס בורון קרביד משמש בניסוח ההשעיה לספק 7.5% wt של פחמן לאחר פירוליזה החלקים יצוקה.
המטרה הכוללת של עבודה זו היא שילוב טכניקות מסורתיות gelcasting עם זולות יכולות הדפסה 3D סוכן ג’לי ייחודי כדי להשיג צפיפות ליד-מלא בורון קרביד חלקי עם מאוד לסימולציה. בנוסף קרמיקה, ניתן להחיל AM שלילי לשדות חומרים אחרים כדי ליצור גיאומטריות חדשה לגמרי של מערכות חומר רב. המתודולוגיה המתוארת כאן מרחיב על העבודה שהוצגו ב- Lu. et al. 8 , שואפת לספק פרוטוקול מפורט יותר לשחזר את התוצאות.
Protocol
Representative Results
Discussion
המתודולוגיה של הייצור מוספים שלילי תיאר בפרוטוקול מאפשרת מורכבות בצורת בורון קרביד חלקים להיות מיוצרים ב צפיפות כמעט מלא לאחר חימום בטמפרטורה האופטימלית של 2290 ° C. הצעדים הראשונים מספר הקשורים הכנה, הליהוק הם הקריטיים ביותר ליצירה איכותית יצוק עם פגמים מינימלי. אם צמיגות של התליה הוא גבו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו בוצע תחת חסותה של מחלקת האנרגיה של ארצות הברית על ידי לורנס ליברמור המעבדה הלאומית תחת חוזה דה-AC52-07NA27344. IM שחרור 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 |
References
- 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).
