Mae ymchwilwyr wedi dangos techneg newydd sy'n defnyddio laserau i greu cerameg a all wrthsefyll tymheredd uchel iawn, gyda chymwysiadau'n amrywio o dechnolegau ynni niwclear i systemau gwacáu llongau gofod a jet. Gellir defnyddio'r dechneg i greu haenau ceramig, teils neu strwythurau tri dimensiwn cymhleth, sy'n caniatáu ar gyfer mwy o amlbwrpasedd wrth beiriannu dyfeisiau a thechnolegau newydd.
"Sintering yw'r broses lle mae deunyddiau crai - naill ai powdrau neu hylifau - yn cael eu trosi'n ddeunydd ceramig," meddai Cheryl Xu, cyd-awdur papur ar yr ymchwil hwn ac athro peirianneg fecanyddol ac awyrofod ym Mhrifysgol Talaith Gogledd Carolina. "Ar gyfer y gwaith hwn, fe wnaethom ganolbwyntio ar serameg tymheredd uchel iawn o'r enw hafnium carbide (HfC). Yn draddodiadol, mae sintro HfC yn gofyn am osod y deunyddiau crai mewn ffwrnais sy'n gallu cyrraedd tymheredd o 2,200 gradd Celsius o leiaf - proses sy'n cymryd llawer o amser ac yn defnyddio llawer o ynni."
"Mae ein techneg yn gyflymach, yn haws ac mae angen llai o egni."
Mae'r dechneg newydd yn gweithio trwy gymhwyso laser 120-wat i wyneb rhagflaenydd polymer hylif mewn amgylchedd anadweithiol, fel siambr gwactod neu siambr wedi'i llenwi ag argon. Mae'r laser yn sintro'r hylif, gan ei droi'n serameg solet. Gellir defnyddio hyn mewn dwy ffordd wahanol.
Yn gyntaf,gellir cymhwyso'r rhagflaenydd hylif fel cotio i strwythur gwaelodol, megis cyfansoddion carbon a ddefnyddir mewn technolegau hypersonig fel taflegrau a cherbydau archwilio'r gofod. Gellir cymhwyso'r rhagflaenydd i wyneb y strwythur ac yna ei sintro â'r laser.
"Oherwydd nad yw'r broses sintro yn gofyn am amlygu'r strwythur cyfan i wres y ffwrnais, mae'r dechneg newydd yn addo caniatáu i ni osod haenau ceramig tymheredd uchel iawn ar ddeunyddiau a allai gael eu difrodi gan sintro mewn ffwrnais," meddai Xu.
Yr ailMae'r ffordd y gall peirianwyr ddefnyddio'r dechneg sintro newydd yn cynnwys gweithgynhyrchu ychwanegion, a elwir hefyd yn argraffu 3D. Yn benodol, gellir defnyddio'r dull sintro laser ar y cyd â thechneg sy'n debyg i stereolithograffeg.
Yn y dechneg hon, mae laser wedi'i osod ar fwrdd sy'n eistedd mewn bath o'r rhagflaenydd hylif. Er mwyn creu strwythur tri dimensiwn, mae ymchwilwyr yn creu dyluniad digidol o'r strwythur ac yna'n "sleisio" y strwythur hwnnw'n haenau. I ddechrau, mae'r laser yn tynnu proffil haen gyntaf y strwythur yn y polymer, gan lenwi'r proffil fel pe bai'n lliwio llun. Wrth i'r laser "lenwi" yr ardal hon, mae ynni thermol yn trosi'r polymer hylif yn seramig. Yna mae'r bwrdd yn gostwng ychydig ymhellach i'r bath polymer, ac mae llafn yn ysgubo ar draws y brig i wasgaru'r wyneb. Yna mae'r laser yn sinterio ail haen y strwythur, ac mae'r broses hon yn ailadrodd ei hun nes bod gennych gynnyrch gorffenedig wedi'i wneud o'r ceramig sintered.
“Mewn gwirionedd mae'n dipyn o orsymleiddio dweud bod y laseryn unigsintro'r rhagflaenydd hylif," meddai Xu. "Mae'n fwy cywir dweud bod y laser yn trosi'r polymer hylif yn bolymer solet yn gyntaf ac yna'n trosi'r polymer solet yn seramig. Fodd bynnag, mae hyn i gyd yn digwydd yn gyflym iawn - yn ei hanfod mae'n broses un cam."
Mewn prawf{0}}o-brofiadau cysyniad, dangosodd yr ymchwilwyr fod y dechneg sintro laser yn cynhyrchu HfC pur grisialaidd o ragflaenydd polymer hylifol.
“Dyma’r tro cyntaf i ni wybod ble roedd rhywun yn gallu creu HfC o’r ansawdd hwn o ragflaenydd polymer hylif,” meddai Xu. "Ac mae cerameg tymheredd uchel iawn, fel y mae'r enw'n ei awgrymu, yn ddefnyddiol ar gyfer ystod eang o gymwysiadau lle mae'n rhaid i dechnolegau wrthsefyll tymereddau eithafol, megis cynhyrchu ynni niwclear."
Dangosodd yr ymchwilwyr hefyd y gellid defnyddio sintro laser i greu haenau HfC o ansawdd uchel o gyfansoddion carbon wedi'u hatgyfnerthu â ffibr (C/C). Yn y bôn, roedd y cotio ceramig yn bondio i'r strwythur gwaelodol ac nid oedd yn pilio.
"Roedd y haenau HfC ar swbstradau C/C yn dangos adlyniad cryf, gorchudd unffurf, a photensial i'w defnyddio fel amddiffyniad thermol a haen sy'n gwrthsefyll ocsidiad," meddai Xu. "Mae hyn yn arbennig o ddefnyddiol oherwydd, yn ogystal â chymwysiadau hypersonig, mae strwythurau carbon/carbon yn cael eu defnyddio mewn nozzles rocedi, disgiau brêc a systemau amddiffyn thermol awyrofod fel conau trwyn ac ymylon blaen yr adenydd."
Mae'r dechneg sintro laser newydd hefyd yn llawer mwy effeithlon na sintro confensiynol mewn sawl ffordd.
"Mae ein techneg yn ein galluogi i greu strwythurau a haenau ceramig tymheredd uchel iawn mewn eiliadau neu funudau, tra bod technegau confensiynol yn cymryd oriau neu ddyddiau," meddai Xu. "Ac oherwydd bod sintering laser yn gyflymach ac yn lleoledig iawn, mae'n defnyddio llawer llai o ynni. Yn fwy na hynny, mae ein dull yn cynhyrchu cynnyrch uwch. Yn benodol, mae sintering laser yn trosi o leiaf 50% o'r màs rhagflaenol yn seramig. Mae dulliau confensiynol fel arfer yn trosi dim ond 20-40% o'r rhagflaenydd.
"Yn olaf, mae ein techneg yn gymharol gludadwy," meddai Xu. "Ydy, mae'n rhaid ei wneud mewn amgylchedd anadweithiol, ond mae cludo siambr wactod ac offer gweithgynhyrchu ychwanegion yn llawer haws na chludo ffwrnais bwerus, fawr.
"Rydym yn gyffrous am y cynnydd hwn mewn cerameg ac yn agored i weithio gyda phartneriaid cyhoeddus a phreifat i drosglwyddo'r dechnoleg hon i'w defnyddio mewn cymwysiadau ymarferol," meddai Xu.
Mae'r papur, "Synthesis o Hafnium Carbide (HfC) trwy One-Pyrolysis Adwaith Laser Dewisol Cam o Ragflaenydd Polymer Hylif," wedi'i gyhoeddi yn yCylchgrawn Cymdeithas Serameg America. Cyd-awdur y papur yw Tiegang Fang, athro peirianneg fecanyddol ac awyrofod yn NC State. Co-awduron cyntaf y papur yw Shalini Rajpoot, ymchwilydd ôl-ddoethurol yn NC State, a Kaushik Nonavinakere Vinod, Ph.D. myfyriwr yn NC State.
Gwnaethpwyd yr ymchwil gyda chefnogaeth y Ganolfan Gweithgynhyrchu Ychwanegion o Serameg Uwch, sydd wedi'i lleoli ym Mhrifysgol Gogledd Carolina yn Charlotte.
