복잡 한 모양의 붕 소 합금의 첨가제 제조 제외
Summary
음수 첨가제 제조 라는 메서드 근처의 다양 한 길이 완전히 조밀한 복잡 한 모양의 보론 카바 이드 부품을 생산 하는 데 사용 됩니다. 이 기술은 균질 성 탄소 열 분해 후 원조 소 뒤에 독특한 고 에이전트로 resorcinol-포 름 알 데히드를 포함 새로운 현 탁 액의 배합을 통해 가능 하다.
Abstract
붕 소 탄 화물 (B4C) 존재에서 어려운 재료 중 하나입니다. 그러나,이 매력적인 속성 또한 높은 착용, 높은 경도 및 armors 등 경량 소재 응용 프로그램에 대 한 복잡 한 모양으로 그것의 machineability를 제한합니다. 이 문제를 해결 하려면 음수 첨가제 제조 (오전)는 다양 한 길이 스케일에서 붕 소 탄 화물의 복잡 한 형상의 생성 하려면 사용 됩니다. 먼저 부정적인 오전은 3D 인쇄 플라스틱 금형에 gelcasting을 정지를 포함 한다. 금형은 다음 해산, 부정적인 복사본으로 녹색 시체를 뒤에 남겨두고. 때문에 전통적인 hydrogels 달리 매우 복잡 한 금형 사용 될 수 있는 아무 수축에 작은 resorcinol-포 름 알 데히드 (RF) 소설 고 에이전트로 사용 됩니다. 또한,이 고 에이전트 B4C.이 매우 동질적인 배포 인해 제자리에 탄소 2% 다공성 미만 B4C 매트릭스 내에서에 대 한 매우 효과적인 소 결 원조 ~ 50 wt % 탄소, 뒤에 남겨두고 pyrolyzed 수 있습니다. 소 결 후에 달성 될 수 있다. 이 프로토콜 자세히 완벽 하 게 고밀도 보론 카바 이드 매우 복잡 한 형상의 부품 근처를 만들기 위한 방법론을 강조 표시 합니다.
Introduction
비커스와 붕 소 탄 화물 (B4C), 경도 약 38의 GPa, 셋째 어려운으로 알려져 다이아몬드 뒤에 상용 자료 (~ 115 학점) 및 입방 붕 소 질 화물 (~ 48 GPa). 낮은 밀도 (2.52 g/cm3), 함께이 특정 속성은 armors1방어 응용 프로그램에 대 한 매력이 있습니다. B4C 높은 융해 점, 우수한 마모 저항 및 높은 중성자 흡수 제2,,34크로스에 또한 있다. 그러나, 이러한 유리한 기계적 특성의 활용 B4C를 높은 밀도 상 일반적으로 필요 합니다. 뜨거운 누르면 B4C 전체 densification를 소 결 하는 전통적인 방법 이다. 이 기술은 종종 제한 된 곡률와 간단한 형상에 제한 하 고 상당히 획 일 한 간격. 다 결정 다이아몬드 공구 또는 레이저 커팅 비싸고 노동 집약적인 가공는 세밀 하 게 또는 더 복잡 한 기능을 소개 합니다.
또는 압력 없는 소 콜 로이드 형성 기법 아무 가공을 최소화 해야 하는 전체 근처 밀도 부품을 생성할 수 있습니다. 통합 중 외부 압력의 부족, 소 에이즈 일반적으로 무부하 소의 효율성을 높이기 위해 세라믹 매체에 추가 됩니다. 탄소 B4C5,,67에 대 한 소 결 원조로 주로 사용 됩니다. 열 분해 탄 화 유기 물 나노 분말 등 다양 한 탄소 소스를 사용할 수 있습니다. 원조 곡물 경계로 소 결 탄소의 균질 배급 B4C.의 균일 한 소를 얻기 위해 중요 한 요소 이다 따라서, 탄소 농도 B4C 입자 크기는 또한 중요 한 소 결 부품 고밀도8을 위한 요소를 상호.
복잡 한 모양의 세라믹 부품을 얻기 위한 가장 유망한 콜 로이드 형성 기법 중 하나는 gelcasting입니다. 이 기술은 유기 모노 머와 세라믹 서 스 펜 션 젤9,,1011로 제자리에 polymerizes는 금형 주조 포함 됩니다. 젤 후속 단계에 파손 없이 처리를 충분히 강하다 금형의 모양에 녹색 시체를 바인더 역할을 합니다. 이전 불가능 한 3 차원 금형 형상 저가 폴리머 기반 첨가제 (오전) 제조 기술을 통해 스테레오 리소 그래피 (SLA) 등 융합된 증 착 모델링 (FDM)12이제 생산 수 있습니다. 3D 프린터의 최근 가용성은 매우 복잡 한 형상의 세라믹 설계에 대 한 새로운 가능성을 열었습니다.
음수 첨가제 제조 희생 3D 인쇄 금형 gelcasting를 결합 하는 기술입니다. 세라믹 부품의 복잡성은 직접 금형 설계의 복잡성 관련이 있습니다. 금형 디자인 지금 엄청나게 높은 해상도 플라스틱 3D 프린터의 도래와 함께 세련 된 될 수 있습니다. 예를 들어 개인의 등고선을 금형에 통합 3D 스캐닝 도구를 사용할 수 있습니다. 사용 하 여 부정적인 오전, 경량 세라믹 armors 개인의 신체 크기와 모양에 맞게 만들 수 있습니다. 이러한 디자인 사용자 지정 사용자를 위한 향상 된 이동성 가벼운 무게 armors 제공할 수 있다.
직접 잉크 같은 다른 일반적인 세라믹 오전 기술 쓰기 (DIW), 선택적 레이저 소 결 (SLS), 및 바인더 (BJ) 제트기는 또한 복잡 한 모양의 세라믹 부품을 생산에 효과적. 그러나, 이러한 기술의 대부분은만 미세 다공성 구조를 생산 하는 데 유용 되며 하지 효율적인 아머 응용 프로그램13,,1415,16, 등의 큰 부분까지 확장 17. 또한, 이러한 기술의 대부분은 높은 비용 때문에 높은 볼륨 생산 가능. 따라서, 부정적인 오전은 대규모 부품 산업 수준 생산을 위한 기본 설정 및 상대적으로 저렴 한 경로 이다.
Gelcasting에 사용 되는 B4C 정지 점도 낮은 고 고 에이전트 및 소 결 원조를 포함 해야 합니다. Resorcinol 및 포름알데히드는 B4C 입자를 결합 하는 데 도움이 resorcinol-포 름 알 데히드 (RF) 네트워크를 축 중 합 반응을 그들의 능력에 대 한 선택 됩니다. Gelcasting에 사용 되는 전통적인 hydrogels 건조 과정18동안 경험이 높은 안쪽으로 수축으로 인해 빈 코어 금형으로 제한 됩니다. RF는 aerogel으로 일반적으로 사용 하는 이후 거의 없는 수축 더 복잡 하 게 모양의 금형의 사용을 허용 하는 있다. RF를 사용 하 여의 또 다른 장점은 겔 화 속도 (그림 3) 현 탁 액의 pH를 변경 하 여 제어할 수 있습니다. 고급 고 캐스팅에 대 한 준비가 될 때까지 별도로 저장 또한 resorcinol 또는 포 름 알 데히드를 포함 하는 정지에 준비 수 있습니다. 가장 중요 한 것은, RF 젤 50 wt % 탄소19뒤에 남겨두고 pyrolyzed 될 수 있습니다. 탄소의이 매우 동질적인 배포 소 결 하는 동안 B4C 풀 근처 밀도의 densification을 도움이 됩니다. 붕 소 탄 화물 기준으로 RF의 15 wt % 후 캐스트 부품의 열 분해 탄소의 7.5 wt %를 제공 하는 서 스 펜 션의 배합에 사용 됩니다.
이 작품의 전반적인 목표는 전통적인 gelcasting 기술을 저렴 한 3D 인쇄 기능 하 고 독특한 고 에이전트 근처 전체 밀도 보론 카바 이드 매우 복잡 한 형상의 부품을 결합 하는 것입니다. 도자기, 뿐만 아니라 부정적인 오전 멀티 소재 시스템의 완전히 새로운 형상을 만드는 다른 소재 분야에 적용할 수 있습니다. 여기에 설명 된 방법론 루 외 에 제시 하는 일에 확장 8 그리고 그 결과 재현에 대 한 더 상세한 프로토콜을 제공 하는 것을 목표로.
Protocol
Representative Results
Discussion
프로토콜에서 설명 하는 부정적인 첨가제 제조 방법론 2290 ° c.의 최적 온도에서 소 결 후에 거의 전체 밀도에서 생산 되 고 복잡 한 모양의 보론 카바 이드 부품 수 준비 및 캐스팅 관련 첫 번째 몇 가지 단계는 최소한의 결함으로 캐스팅 높은 품질을 생성 하는 데 가장 중요 합니다. 현 탁 액의 점도 너무 높은, 가난한 혼합 발생 합니다. 소 결된 부품의 다공성 증가 점성 공기 거품 제거를 방해 하?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 미국 에너지 부의 후원 아래 계약 드-AC52-07NA27344에서 로렌스 리버 모어 국립 연구소에 의해 수행 되었다. 메신저 버전 LLNL-JRNL-750634입니다.
Materials
| Boron carbide powder 1250F | Tetrabor Ceramics | Lot 211M419 | >96% purity |
| Boron carbide powder 1500F | Tetrabor Ceramics | Lot 209M102/9 | >96% purity |
| Boron carbide powder 3000F | Tetrabor Ceramics | Lot 111m53/9 | >96% purity |
| Polyethylene Imine (PEI) | Sigma Aldrich | MKBP3417V | Averaged MW ~25,000 by L.S. |
| Resorcinol | Sigma Aldrich | MKBG6751V | BioXtra, ≥99% |
| Formaldehyde | Fisher Scientific | F79-1 | 37% by weight; Stabilized with 10-15% Methanol |
| Acetic Acid | Sigma Aldrich | SKU 695092 | Glacial ≥99.7% |
| Acetone | Sigma Aldrich | SKU 179124 | ACS Reagent Grade ≥99.5% |
| Water | LLNL In-house (Milli-Q) | ||
| Planetary Mixer | Thinky | AR-250 | Fits 150mL and 300mL Thinky containers |
| Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) plastic filament | eSUN | Natural color | |
| Taz 6 (3D printer) | Lulzbot | FDM 3D printer | |
| 4%H2/96%Ar gas | Air Gas | UHP | 4% Hydrogen, balanced Argon |
| Helium gas | Air Gas | UHP | Helium |
| Heating oven | Neytech | Vulcan 9493308 | Oven for 80 °C curing |
| Quartz tube furnace | Applied Test Systems, Inc. | LEA 05-000075 | Furnace for 1050 °C carbonization |
| Graphite furnace | Thermal Technology LLC | Sintering furnace | |
| Scanning Electron Microscope (SEM) | Jeol | JSM-7401F | |
| pH meter | Thermo Scientific | Orion 4 Star | calibrated with buffer standards |
| Rheometer | TA Instrument | AR2000ex | For measurement of viscosity |
| X-ray Diffractometer (XRD) | Bruker | AX D8 Advanced | |
| Analytical balance | Mettler Toledo | XS104 | |
| Bruker EVA | XRD Analysis Software |
Referenzen
- An, Q. Prediction of superstrong τ -boron carbide phase from quantum mechanics. Physical Review B. 95 (10), 100101 (2017).
- Thévenot, F. Boron carbide – A comprehensive review. Journal of the European Ceramic Society. 6, 205-225 (1990).
- Lee, H., Speyer, R. F. Pressureless sintering of boron carbide. Journal of the American Ceramic Society. 86, 1468-1473 (2003).
- Deng, J. X. Erosion wear of boron carbide ceramic nozzles by abrasive air-jets. Materials Science and Engineering: A. 408, 227-233 (2005).
- Schwetz, K. A., Grellner, W. The influence of carbon on the microstructure and mechanical properties of sintered boron-carbide. Journal of Less-Common Metals. 82, 37-47 (1981).
- Schwetz, K. A., Vogt, G. Process for the production of dense sintered shaped articles of polycrystalline boron carbide by pressureless sintering. US. , (1980).
- Suzuki, H., Hase, T., Maruyama, T. Effect of carbon on sintering of boron carbide. Journal of the Ceramic Association, Japan. 87, 430-433 (1979).
- Lu, R., et al. Complex shaped boron carbides from negative additive manufacturing. Materials & Design. 148, 8-16 (2018).
- Omatete, O. O., Janney, M. A., Nunn, S. D. Gelcasting: From laboratory development toward industrial production. Journal of the European Ceramic Society. 17, 407-413 (1997).
- Yang, J., Yu, J., Huang, Y. Recent developments in gelcasting of ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 31, 2569-2591 (2011).
- Gilissen, R., Erauw, J. P., Smolders, A., Vanswijgenhoven, E., Luyten, J. Gelcasting a near net shape technique. Materials & Design. 21, 251-257 (2000).
- Travitzky, N., et al. Additive manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 16, 729-754 (2014).
- Zocca, A., Colombo, P., Gomes, C. M., Gunster, J. Additive Manufacturing of Ceramics: Issues, Potentialities, and Opportunities. Journal of the American Ceramic Society. 98, 1983-2001 (2015).
- Deckers, J., Vleugels, J., Kruthl, J. P. Additive Manufacturing of Ceramics: A Review. Journal of Ceramic Science and Technology. 5, 245-260 (2014).
- Costakis, W. J., Rueschhoff, L. M., Diaz-Cano, A. I., Youngblood, J. P., Trice, R. W. Additive manufacturing of boron carbide via continuous filament direct ink writing of aqueous ceramic suspensions. Journal of the European Ceramic Society. 36, 3249-3256 (2016).
- Colombo, P., Schmidt, J., Franchin, G., Zocca, A., Gunster, J. Additive manufacturing techniques for fabricating complex ceramic components from preceramic polymers. American Ceramic Society Bulletin. 96, 16-23 (2017).
- Olsson, A., Hellsing, M. S., Rennie, A. R. New possibilities using additive manufacturing with materials that are difficult to process and with complex structures. Physica Scripta. 92, 053002 (2017).
- Dhara, S., Kamboj, R. K., Pradhan, M., Bhargava, P. Shape forming of ceramics via gelcasting of aqueous particulate slurries. Bulletin of Materials Science. 25, 565-568 (2002).
- Lewicki, J. P., Fox, C. A., Worsley, M. A. On the synthesis and structure of resorcinol-formaldehyde polymeric networks – Precursors to 3D-carbon macroassemblies. Polymer. 69, 45-51 (2015).
- Swenberg, J. A., et al. Formaldehyde Carcinogenicity Research: 30 Years and Counting for Mode of Action, Epidemiology, and Cancer Risk Assessment. Toxicologic Pathology. 41, 181-189 (2013).
- Kuo, C. C., Chen, C. M., Chang, S. X. Polishing mechanism for ABS parts fabricated by additive manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 91, 1473-1479 (2017).
- Kires, M. Archimedes’ principle in action. Physics Education. 42, 484-487 (2007).
- Zheng, X., et al. Design and optimization of a light-emitting diode projection micro-stereolithography three-dimensional manufacturing system. Review of Scientific Instruments. 83, 125001 (2012).
- Franchin, G., Colombo, P. Porous Geopolymer Components through Inverse Replica of 3D Printed Sacrificial Templates. Journal of Ceramic Science and Technology. 6, 105-111 (2015).
