Fabrication Additive négative du complexe en forme de carbures de bore

Carbure de bore (B₄C), avec un Vickers dureté d’environ 38 GPa, est connu comme le troisième plus dur matériel commercialement disponible, derrière le diamant (~ 115 GPa) et nitrure de bore cubique (~ 48 GPa). Cette propriété, ainsi que d’une faible densité (2,52 g/cm³), le rend attrayant pour les applications de défense comme les armures¹. B₄C a également un point de fusion élevé, résistance à l’usure supérieure et l’absorption des neutrons haute croix section^2,3,4. Cependant, l’utilisation de ces propriétés mécaniques nécessite généralement B₄C pour être aggloméré à haute densité. Pressage à chaud est une méthode conventionnelle pour frittage B₄C à pleine densification. Cette technique est souvent limitée à des géométries simples avec courbure limitée et épaisseur relativement uniforme. Coûteuses et fastidieuses d’usinage avec taille d’outillage ou de laser du diamant polycristallin est nécessaire afin d’introduire des fonctions plus fines ou plus complexes.

Alternativement, colloïdales techniques formant avec pressions sans frittage peuvent produire des pièces de densité presque pleine qui nécessitent peu ou pas d’usinage. En raison du manque de pressions extérieures lors de la consolidation, frittage sida est normalement ajoutés au milieu de céramique pour augmenter l’efficacité de frittage sans pression. Carbone est couramment utilisé comme une aide de frittage pour B₄C^5,6,7. Diverses sources de carbone, tels que les poudres de nanoparticules ou organics carbonisé de pyrolyse, peuvent être utilisés. Une répartition homogène du carbone frittage aide le long des joints de grain est un facteur important pour l’obtention de frittage uniforme de B₄C. Par conséquent, concentration en carbone et la taille des particules B₄C sont également importantes et étroitement liées à des facteurs pour frittage pièces à haute densité⁸.

Une des techniques plus prometteuses formant colloïdales pour l’obtention de pièces en céramique en forme complexes est gelcasting. Cette technique consiste à lancer une suspension en céramique avec un monomère organique dans un moule qui polymérise in situ pour agir comme un gel^9,10,11. Le gel sert de liant pour former un corps vert sous la forme du moule qui est assez fort pour être manipulé sans rupture dans les étapes ultérieures de traitement. Auparavant les géométries moule 3D impossible maintenant réalisable grâce à base de polymères additif (AM) de fabrication techniques à faible coût comme stéréolithographie (SLA) et fondue deposition modeling (FDM)¹². La disponibilité récente des imprimantes 3D a ouvert de nouvelles possibilités pour la conception de céramiques avec des géométries très complexes.

Fabrication additive négative est une technique qui allie gelcasting sacrificiels moules 3D-imprimés. La complexité de la pièce céramique est directement liée à la complexité de la conception du moule. Dessins de moisissure peuvent maintenant être incroyablement sophistiqués avec l’avènement des imprimantes 3D en plastique de haute résolution. Par exemple, 3D, outils d’analyse permet de capturer des contours de l’individu et être intégrée dans des moules. En utilisant AM négatif, des armures en céramique légers adaptés à la taille corporelle de l’individu et la forme peuvent être créés. Ces personnalisations de conception peuvent fournir des armures de poids plus légers avec une mobilité renforcée pour les utilisateurs.

Autres techniques de AM céramique communes comme encre direct écrivent (DIW), frittage sélectif par laser (SLS) et le liant par jet (BJ) sont également efficaces dans la production de pièces en céramique en forme complexes. Cependant, la plupart de ces techniques n’est utile que pour la production de fines structures poreuses et n’est pas efficace quand vous Détartrez jusqu’à grandes parties, telles que l’armure des applications^{13,14,15,16, 17}. en outre, la plupart de ces techniques n’est pas réalisable pour la production à volume élevé en raison de frais élevés. AM négatif est donc une voie privilégiée et relativement peu coûteuse pour la production industrielle au niveau des pièces à grande échelle.

Les suspensions de₄C B utilisées pour gelcasting doivent être faible viscosité et contiennent un agent gélifiant et frittage aide. Résorcine et formaldéhyde sont choisis pour leur capacité à subir des réactions de polycondensation pour former un réseau de résorcine-formol (RF), ce qui permet de lier ensemble les particules B₄C. Hydrogels traditionnelles utilisées pour gelcasting se limitent aux moules avec des noyaux creux le retrait vers l’intérieur haute expérimenté pendant le séchage de processus¹⁸. Étant donné que le RF est couramment utilisé comme un aérogel, il y a peu ou pas de retrait, qui permet d’utiliser des moules de formes plus complexe. Un autre avantage de l’utilisation de RF est que le taux de gélification peut être contrôlé en modifiant le pH de la suspension (Figure 3). En outre, des suspensions contenant résorcinol ou formaldéhyde peuvent être préparées dans avancé et stockées séparément jusqu’à ce qu’ils sont prêts pour la coulée. Plus important encore, le gel de RF peut être pyrolysé pour laisser derrière 50 wt % carbone¹⁹. Cette distribution très homogène du carbone peut aider la densification du B₄C à des densités presque rempli pendant le frittage. 15 % en poids de RF par rapport au carbure de bore est utilisé dans la formulation de la suspension à fournir 7,5 % en poids de carbone après pyrolyse des pièces coulées.

L’objectif général de ce travail est de combiner les techniques traditionnelles de gelcasting avec des capacités d’impression 3D peu coûteuses et un unique agent gélifiant pour obtenir presque pleine densité des pièces de carbure de bore avec des géométries très complexes. En plus de la céramique, AM négatif peut être appliqué à d’autres domaines matériels pour créer entièrement nouvelles géométries de systèmes multi-matériaux. La méthode décrite ici se développe sur les oeuvres présentées à Lu et al. ⁸ et vise à fournir un protocole plus détaillé pour reproduire ces résultats.