Πρωτοποριακή ανακάλυψη σε σκόνη αλουμίνας στα υλικά τρισδιάστατης εκτύπωσης
Μπαίνοντας στο εργαστήριο του Πολυτεχνείου Northwestern, μια φωτοπολυμεριζόμενη συσκευήτρισδιάστατος εκτυπωτής βουίζει ελαφρά και η δέσμη λέιζερ κινείται με ακρίβεια μέσα στο κεραμικό πολτό. Μόλις λίγες ώρες αργότερα, παρουσιάζεται πλήρως ένας κεραμικός πυρήνας με σύνθετη δομή σαν λαβύρινθος - θα χρησιμοποιηθεί για τη χύτευση των πτερυγίων των κινητήρων αεροσκαφών. Ο καθηγητής Su Haijun, υπεύθυνος για το έργο, επεσήμανε το ευαίσθητο εξάρτημα και είπε: «Πριν από τρία χρόνια, δεν τολμούσαμε καν να σκεφτούμε τέτοια ακρίβεια. Η βασική ανακάλυψη κρύβεται σε αυτή την δυσδιάκριτη σκόνη αλουμίνας».
Κάποτε, τα κεραμικά αλουμίνας ήταν σαν ένας «προβληματικός μαθητής» στον τομέα τηςτρισδιάστατη εκτύπωση– υψηλή αντοχή, αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, καλή μόνωση, αλλά μόλις τυπώθηκε, παρουσίασε πολλά προβλήματα. Υπό τις παραδοσιακές διαδικασίες, η σκόνη αλουμίνας έχει κακή ρευστότητα και συχνά μπλοκάρει την κεφαλή εκτύπωσης. Ο ρυθμός συρρίκνωσης κατά τη σύντηξη μπορεί να φτάσει το 15%-20% και τα μέρη που τυπώθηκαν με μεγάλη προσπάθεια θα παραμορφωθούν και θα ραγίσουν μόλις καούν. Πολύπλοκες δομές; Είναι ακόμη μεγαλύτερη πολυτέλεια. Οι μηχανικοί προβληματίζονται: «Αυτό το πράγμα είναι σαν ένας πεισματάρης καλλιτέχνης, με άγριες ιδέες αλλά όχι αρκετά χέρια».
1. Ρωσική φόρμουλα: Τοποθέτηση «κεραμικής θωράκισης» στοαλουμίνιομήτρα
Το σημείο καμπής προήλθε αρχικά από την επανάσταση στον σχεδιασμό υλικών. Το 2020, επιστήμονες υλικών από το Εθνικό Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας (NUST MISIS) της Ρωσίας ανακοίνωσαν μια πρωτοποριακή τεχνολογία. Αντί να αναμειγνύουν απλώς σκόνη οξειδίου του αργιλίου, έβαλαν σκόνη αλουμινίου υψηλής καθαρότητας σε ένα αυτόκλειστο και χρησιμοποίησαν υδροθερμική οξείδωση για να «αναπτύξουν» ένα στρώμα μεμβράνης οξειδίου του αργιλίου με ένα ακριβώς ελεγχόμενο πάχος στην επιφάνεια κάθε σωματιδίου αλουμινίου, ακριβώς όπως τοποθετείται ένα στρώμα θωράκισης νανοεπιπέδου στην μπάλα αλουμινίου. Αυτή η σκόνη «δομής πυρήνα-κελύφους» παρουσιάζει εκπληκτική απόδοση κατά την τρισδιάστατη εκτύπωση με λέιζερ (τεχνολογία SLM): η σκληρότητα είναι 40% υψηλότερη από αυτή των καθαρών υλικών αλουμινίου και η σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες βελτιώνεται σημαντικά, ικανοποιώντας άμεσα τις απαιτήσεις αεροπορικής ποιότητας.
Ο καθηγητής Αλεξάντερ Γκρόμοφ, επικεφαλής του έργου, έκανε μια γλαφυρή αναλογία: «Στο παρελθόν, τα σύνθετα υλικά ήταν σαν σαλάτες - το καθένα ήταν υπεύθυνο για τη δική του δουλειά. Οι σκόνες μας είναι σαν σάντουιτς - το αλουμίνιο και η αλουμίνα αλληλοσυμπληρώνονται στρώση-στρώση, και κανένα από τα δύο δεν μπορεί να γίνει χωρίς το άλλο». Αυτή η ισχυρή σύζευξη επιτρέπει στο υλικό να δείξει την ικανότητά του σε εξαρτήματα κινητήρων αεροσκαφών και σε εξαιρετικά ελαφριά πλαίσια αμαξώματος, και μάλιστα αρχίζει να αμφισβητεί το έδαφος των κραμάτων τιτανίου.
2. Κινέζικη σοφία: η μαγεία της «στερέωσης» των κεραμικών
Το μεγαλύτερο πρόβλημα στην εκτύπωση κεραμικών αλουμίνας είναι η συρρίκνωση λόγω πυροσυσσωμάτωσης - φανταστείτε ότι ζυμώνετε προσεκτικά ένα πήλινο σχήμα και αυτό συρρικνώνεται στο μέγεθος μιας πατάτας μόλις μπαίνει στον φούρνο. Πόσο θα κατέρρεε; Στις αρχές του 2024, τα αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν από την ομάδα του καθηγητή Su Haijun στο Northwestern Polytechnical University στο Journal of Materials Science & Technology ξεσήκωσαν τη βιομηχανία: απέκτησαν έναν κεραμικό πυρήνα αλουμίνας σχεδόν μηδενικής συρρίκνωσης με ποσοστό συρρίκνωσης μόνο 0,3%.
Το μυστικό είναι να προσθέσετεσκόνη αλουμινίουσε αλουμίνα και στη συνέχεια να παίξει μια ακριβή «μαγεία ατμόσφαιρας».
Προσθέστε σκόνη αλουμινίου: Αναμίξτε 15% λεπτής σκόνης αλουμινίου στον κεραμικό πολτό
Ελέγξτε την ατμόσφαιρα: Χρησιμοποιήστε προστασία από αέριο αργόν στην αρχή της πυροσυσσωμάτωσης για να αποτρέψετε την οξείδωση της σκόνης αλουμινίου.
Έξυπνη εναλλαγή: Όταν η θερμοκρασία ανέβει στους 1400°C, αλλάξτε ξαφνικά την ατμόσφαιρα στον αέρα
Οξείδωση επί τόπου: Η σκόνη αλουμινίου λιώνει αμέσως σε σταγονίδια και οξειδώνεται σε οξείδιο του αλουμινίου, και η διαστολή του όγκου αντισταθμίζει τη συστολή
3. Επανάσταση του συνδετικού υλικού: η σκόνη αλουμινίου μετατρέπεται σε «αόρατη κόλλα»
Ενώ οι ρωσικές και κινεζικές ομάδες εργάζονται σκληρά για την τροποποίηση της σκόνης, μια άλλη τεχνική οδός έχει ωριμάσει σιγά σιγά - η χρήση σκόνης αλουμινίου ως συνδετικού υλικού. Παραδοσιακή κεραμικήτρισδιάστατη εκτύπωσηΤα συνδετικά υλικά είναι κυρίως οργανικές ρητίνες, οι οποίες αφήνουν κοιλότητες όταν καίγονται κατά την απολίπανση. Μια πατέντα εγχώριας ομάδας του 2023 υιοθετεί μια διαφορετική προσέγγιση: μετατρέποντας σκόνη αλουμινίου σε συνδετικό υλικό με βάση το νερό47.
Κατά την εκτύπωση, το ακροφύσιο ψεκάζει με ακρίβεια «κόλλα» που περιέχει 50-70% σκόνη αλουμινίου στο στρώμα σκόνης οξειδίου του αλουμινίου. Στο στάδιο της απολίπανσης, δημιουργείται κενό αέρος και διοχετεύεται οξυγόνο, και η σκόνη αλουμινίου οξειδώνεται σε οξείδιο του αλουμινίου στους 200-800°C. Το χαρακτηριστικό της διαστολής όγκου άνω του 20% του επιτρέπει να γεμίζει ενεργά τους πόρους και να μειώνει τον ρυθμό συρρίκνωσης σε λιγότερο από 5%. «Ισοδυναμεί με την αποσυναρμολόγηση της σκαλωσιάς και την ταυτόχρονη κατασκευή ενός νέου τοίχου, γεμίζοντας τις δικές σας τρύπες!», το περιέγραψε ένας μηχανικός ως εξής.
4. Η τέχνη των σωματιδίων: η νίκη της σφαιρικής σκόνης
Η «εμφάνιση» της σκόνης αλουμίνας έχει γίνει απροσδόκητα το κλειδί για τις σημαντικές ανακαλύψεις – αυτή η εμφάνιση αναφέρεται στο σχήμα των σωματιδίων. Μια μελέτη στο περιοδικό «Open Ceramics» το 2024 συνέκρινε την απόδοση σφαιρικών και ακανόνιστων σκονών αλουμίνας στην εκτύπωση με εναπόθεση με σύντηξη (CF³)5:
Σφαιρική σκόνη: ρέει σαν λεπτή άμμος, το ποσοστό πλήρωσης υπερβαίνει το 60% και η εκτύπωση είναι ομαλή και μεταξένια
Ακανόνιστη σκόνη: κολλημένη σαν χονδροειδής ζάχαρη, το ιξώδες είναι 40 φορές υψηλότερο και το ακροφύσιο είναι μπλοκαρισμένο για να αμφισβητήσει τη ζωή
Ακόμα καλύτερα, η πυκνότητα των τεμαχίων που τυπώνονται με σφαιρική σκόνη υπερβαίνει εύκολα το 89% μετά την πυροσυσσωμάτωση, και το φινίρισμα της επιφάνειας πληροί άμεσα το πρότυπο. «Ποιος εξακολουθεί να χρησιμοποιεί «άσχημη» σκόνη τώρα; Η ρευστότητα είναι αποτελεσματικότητα στην μάχη!» Ένας τεχνικός χαμογέλασε και κατέληξε5.
Μέλλον: Τα αστέρια και οι θάλασσες συνυπάρχουν με τα μικρά και τα όμορφα
Η επανάσταση στην τρισδιάστατη εκτύπωση σκόνης αλουμίνας δεν έχει τελειώσει ακόμα. Η στρατιωτική βιομηχανία έχει αναλάβει ηγετικό ρόλο στην εφαρμογή πυρήνων σχεδόν μηδενικής συρρίκνωσης για την κατασκευή λεπίδων στροβιλοκινητήρα. Ο βιοϊατρικός τομέας έχει ασχοληθεί με τη βιοσυμβατότητά της και έχει αρχίσει να εκτυπώνει εξατομικευμένα οστικά εμφυτεύματα. Η βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών έχει στοχεύσει σε υποστρώματα απαγωγής θερμότητας - άλλωστε, η θερμική αγωγιμότητα και η μη ηλεκτρική αγωγιμότητα της αλουμίνας είναι αναντικατάστατες.