Forscher haben eine neue Technik demonstriert, bei der mithilfe von Lasern Keramiken hergestellt werden, die extrem hohen Temperaturen standhalten. Die Anwendungen reichen von Kernenergietechnologien bis hin zu Raumfahrzeugen und Strahlabgassystemen. Die Technik kann zur Herstellung von Keramikbeschichtungen, Fliesen oder komplexen dreidimensionalen Strukturen verwendet werden, was eine größere Vielseitigkeit bei der Entwicklung neuer Geräte und Technologien ermöglicht.
„Sintern ist der Prozess, bei dem Rohstoffe – entweder Pulver oder Flüssigkeiten – in ein keramisches Material umgewandelt werden“, sagt Cheryl „Für diese Arbeit haben wir uns auf eine Ultrahochtemperaturkeramik namens Hafniumcarbid (HfC) konzentriert. Traditionell erfordert das Sintern von HfC, die Rohmaterialien in einen Ofen zu geben, der Temperaturen von mindestens 2.200 Grad Celsius erreichen kann – ein Prozess, der zeitaufwändig und energieintensiv ist.
„Unsere Technik ist schneller, einfacher und benötigt weniger Energie.“
Bei der neuen Technik wird ein 120-Watt-Laser in einer inerten Umgebung, beispielsweise einer Vakuumkammer oder einer mit Argon gefüllten Kammer, auf die Oberfläche eines flüssigen Polymervorläufers aufgebracht. Der Laser sintert die Flüssigkeit und verwandelt sie in eine feste Keramik. Dies kann auf zwei verschiedene Arten genutzt werden.
Erste,Der flüssige Vorläufer kann als Beschichtung auf eine darunter liegende Struktur aufgetragen werden, beispielsweise auf Kohlenstoffverbundwerkstoffe, die in Hyperschalltechnologien wie Raketen und Weltraumforschungsfahrzeugen verwendet werden. Der Vorläufer kann auf die Oberfläche der Struktur aufgetragen und anschließend mit dem Laser gesintert werden.
„Da beim Sintern nicht die gesamte Struktur der Hitze des Ofens ausgesetzt werden muss, ist die neue Technik vielversprechend, da sie es uns ermöglichen wird, Ultrahochtemperatur-Keramikbeschichtungen auf Materialien aufzutragen, die durch das Sintern in einem Ofen beschädigt werden könnten“, sagt Xu.
Der ZweiteWie Ingenieure die neue Sintertechnik nutzen können, ist die additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt. Insbesondere kann das Lasersinterverfahren in Verbindung mit einer der Stereolithographie ähnlichen Technik eingesetzt werden.
Bei dieser Technik wird ein Laser auf einem Tisch montiert, der sich in einem Bad aus dem flüssigen Vorläufer befindet. Um eine dreidimensionale Struktur zu erstellen, erstellen Forscher ein digitales Design der Struktur und „schneiden“ diese Struktur dann in Schichten. Zunächst zeichnet der Laser das Profil der ersten Schicht der Struktur in das Polymer und füllt das Profil aus, als würde er ein Bild einfärben. Während der Laser diesen Bereich „ausfüllt“, wandelt thermische Energie das flüssige Polymer in Keramik um. Anschließend senkt sich der Tisch etwas weiter in das Polymerbad und eine Klinge streicht über die Oberfläche, um die Oberfläche zu glätten. Der Laser sintert dann die zweite Schicht der Struktur und dieser Vorgang wiederholt sich, bis Sie ein fertiges Produkt aus der gesinterten Keramik haben.
„Eigentlich ist es etwas zu stark vereinfacht zu sagen, dass es sich um einen Laser handeltnurSintern des flüssigen Vorläufers“, sagt Xu. „Genauer gesagt kann man sagen, dass der Laser zuerst das flüssige Polymer in ein festes Polymer und dann das feste Polymer in eine Keramik umwandelt.“ All dies geschieht jedoch sehr schnell – es ist im Wesentlichen ein einstufiger Prozess.“
In Proof-of-Concept-Tests zeigten die Forscher, dass die Lasersintertechnik kristallines, phasen-reines HfC aus einem flüssigen Polymervorläufer erzeugte.
„Dies ist das erste Mal, dass wir wissen, wo jemand HfC dieser Qualität aus einem flüssigen Polymervorläufer herstellen konnte“, sagt Xu. „Und Ultrahochtemperaturkeramik ist, wie der Name schon sagt, für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich, bei denen Technologien extremen Temperaturen standhalten müssen, beispielsweise bei der Kernenergieerzeugung.“
Die Forscher zeigten auch, dass Lasersintern zur Herstellung hochwertiger HfC-Beschichtungen aus kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffverbundwerkstoffen (C/C) eingesetzt werden kann. Grundsätzlich haftete die Keramikbeschichtung an der darunter liegenden Struktur und löste sich nicht ab.
„Die HfC-Beschichtungen auf C/C-Substraten zeigten eine starke Haftung, eine gleichmäßige Abdeckung und Potenzial für die Verwendung als Wärmeschutz und als Oxidationsschutzschicht“, sagt Xu. „Dies ist besonders nützlich, da Kohlenstoff/Kohlenstoff-Strukturen neben Hyperschallanwendungen auch in Raketendüsen, Bremsscheiben und Wärmeschutzsystemen in der Luft- und Raumfahrt wie Nasenkegeln und Flügelvorderkanten verwendet werden.“
Die neue Lasersintertechnik ist zudem in mehrfacher Hinsicht deutlich effizienter als herkömmliches Sintern.
„Mit unserer Technik können wir Ultrahochtemperatur-Keramikstrukturen und -Beschichtungen in Sekunden oder Minuten herstellen, während herkömmliche Techniken Stunden oder Tage dauern“, sagt Xu. „Und da das Lasersintern schneller und stark lokalisiert ist, verbraucht es deutlich weniger Energie. Darüber hinaus erzielt unser Ansatz eine höhere Ausbeute. Konkret wandelt das Lasersintern mindestens 50 % der Vorläufermasse in Keramik um. Herkömmliche Ansätze wandeln typischerweise nur 20–40 % des Vorläufers um.“
„Schließlich ist unsere Technik relativ tragbar“, sagt Xu. „Ja, es muss in einer inerten Umgebung erfolgen, aber der Transport einer Vakuumkammer und der Ausrüstung für die additive Fertigung ist viel einfacher als der Transport eines leistungsstarken Großofens.
„Wir freuen uns über diesen Fortschritt in der Keramik und sind offen für die Zusammenarbeit mit öffentlichen und privaten Partnern, um diese Technologie für den Einsatz in praktischen Anwendungen zu nutzen“, sagt Xu.
Der Artikel „Synthesis of Hafnium Carbide (HfC) via One-Step Selective Laser Reaction Pyrolysis from Liquid Polymer Precursor“ wurde im veröffentlichtZeitschrift der American Ceramic Society. Co-korrespondierender Autor des Papiers ist Tiegang Fang, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State. Co-Erstautoren des Artikels sind Shalini Rajpoot, Postdoktorandin an der NC State, und Kaushik Nonavinakere Vinod, Ph.D. Student an der NC State.
Die Forschung wurde mit Unterstützung des Center for Additive Manufacture of Advanced Ceramics durchgeführt, das an der University of North Carolina in Charlotte ansässig ist.
