Карбид бора стал причиной революционного прорыва.

Спекание карбида бора с помощью искровой плазмы: революционный прорыв в области «черных технологий» по сравнению с традиционным спеканием.

В области материаловедения, карбид бора (B4C)Карбид бора, известный как «черный алмаз» благодаря своей высокой твердости, низкой плотности, износостойкости и способности поглощать нейтроны, широко используется в высокотехнологичных областях, таких как бронежилеты, атомная промышленность и аэрокосмическая отрасль. Однако традиционные процессы спекания (такие как спекание без давления и горячее прессование) сталкиваются с такими проблемами, как высокие температуры спекания, длительное время спекания и легкое укрупнение зерен, что ограничивает дальнейшее улучшение характеристик карбида бора. В последние годы технология искрового плазменного спекания (SPS), благодаря своей низкой температуре, высокой скорости и эффективности, стала перспективным направлением исследований карбида бора, расширяя границы применения этого сверхтвердого материала.

I. Технология SPS: революционно новая парадигма спекания.

Технология SPS обеспечивает быстрое уплотнение карбида бора за счет синергетического эффекта импульсного тока, механического давления и теплового поля. Ее основной принцип заключается в следующем:

Плазменная активация: Импульсный ток мгновенно генерирует высокотемпературную плазму в межчастичных зазорах, удаляя поверхностные оксиды и способствуя диффузии атомов.

Джоулево нагревание и температурный градиент: электрический ток генерирует джоулево нагревание в графитовой форме, температура быстро повышается (до 600℃/мин), образуя температурный градиент, который ускоряет уплотнение и подавляет рост зерен.

Диффузия с помощью электрического поля: электрическое поле снижает энергию активации спекания, позволяя получать карбид бора с высокой плотностью (>95%) при температуре 1700-2100℃, что на 300-500℃ ниже, чем при традиционном процессе.

По сравнению с традиционным спеканием, карбид бора, полученный методом искрового плазменного спекания (SPS), имеет более мелкие зерна (нано- и микромасштаб) и превосходные механические свойства. Например, при температуре 1600℃ и высоком давлении 300 МПа трещиностойкость карбида бора, полученного методом SPS, увеличивается до 5,56 МПа·м¹/², а динамическая вязкость значительно повышается.

II. Технологический прорыв: ключевой скачок от лаборатории к индустриализации

1. Оптимизация параметров и контроль микроструктуры

Синергия температуры и давления: Исследования показали, что при низких температурах (1700-2000℃) скольжение по границам частиц в основном приводит к уплотнению, тогда как при высоких температурах (>2000℃) преобладает ползание дислокаций. Благодаря точному контролю скорости нагрева и давления, размер зерен можно точно регулировать в диапазоне от 4 мкм до нанометров.

Инновационные применения спекающих добавок: добавление таких добавок, как Al, SiC и графен, может дополнительно оптимизировать характеристики. Например, многофазная керамика B4C/SiC/Al с 1,5% графена (GPL) демонстрирует увеличение трещиностойкости на 25,6% и увеличение прочности на изгиб на 99%.

2. Одноэтапное изготовление функционально-градиентных материалов.

Команда Napo Materials впервые осуществила одностадийное спекание функционально-градиентных материалов B4C/Al с использованием технологии SPS. Этот материал обеспечивает градиентный переход от чистого B4C (твердость 32 ГПа) к чистому Al (твердость 1 ГПа), успешно решая проблемы больших различий в температурах плавления и легкого образования примесных фаз в традиционных процессах, что открывает новые возможности для создания пуленепробиваемой брони и композитных материалов с высокой теплопроводностью.

3. Прорыв в производительности в экстремальных условиях

В атомной промышленности нейтронные поглотители B4C, полученные методом SPS, достигают чистоты 99,9%, обладают превосходной радиационной стойкостью, а затраты на утилизацию отходов составляют лишь одну пятую от затрат на традиционные материалы на основе кадмия. В аэрокосмической промышленности композитные материалы из карбида бора и алюминия снижают вес защитных пластин передней кромки турбовентиляторных двигателей на 40% и повышают топливную эффективность на 2,3%.

III. Перспективы отрасли: Новый «голубой океан» на триллионном рынке

1. Применение этих технологий процветает во всех областях.

Оборонная и военная промышленность: Транспортный самолет Osprey армии США использует композитную броню B4C, которая снижает вес на 40% и обеспечивает защиту, превосходящую традиционную стальную броню.

Полупроводники и электроника: погрешность плоскостности подложки из карбида бора. < 1 мкм, что соответствует сверхвысокоточным требованиям литографических машин EUV. Технология низкотемпературного спекания Zhihe New Materials снижает температуру спекания B4C до 1950℃, что способствует ее применению в области полировальных подушек для полупроводников.

Новые источники энергии и защита окружающей среды: форсунки из карбида бора продлевают срок службы оборудования для пескоструйной обработки высокого давления с 3 месяцев до 2 лет, снижая затраты на техническое обслуживание на 80%. Их применение в атомной энергетике, солнечных батареях и других областях также быстро расширяется.

2. Размер рынка и дивиденды от политики.

По прогнозам, мировой рынок карбида бора вырастет со 180 миллионов долларов в 2025 году до 320 миллионов долларов в 2030 году, что соответствует среднегодовому темпу роста в 9,5%. Будучи крупнейшим в мире производителем, Китай занимает лидирующие позиции в отрасли благодаря государственной поддержке и технологическим прорывам.

Технология искрового плазменного спекания (SPCS) выводит материалы из карбида бора из лабораторных условий в промышленное производство. Его превосходные характеристики по твердости, термической стабильности и поглощению нейтронов открывают революционные решения для оборонной, энергетической и электронной промышленности. Благодаря технологическим достижениям и государственной поддержке карбид бора, этот «черный алмаз», несомненно, будет блистать во многих областях применения, став одним из ключевых материалов, движущих технологический прогресс человечества.

Если вы хотите узнать больше, посетите наш веб-сайт:https://www.urbanmines.com/