Отрицательный аддитивного производства сложных фасонных Карбиды бора

Карбид бора (B₄C), с Vickers твердость около 38 ГПД, известен как третий наиболее коммерчески доступных материалов, за алмаз (~ 115 ГПД) и кубического нитрида бора (~ 48 ГПД). Это особое свойство, наряду с низкой плотностью (2.52 g/см³), делает его привлекательным для приложений обороны например доспехов¹. B₄C также имеет высокую температуру плавления, превосходной износостойкостью и высокой нейтронного поглощения крест раздел^2,3,4. Однако использование этих благоприятных механических свойств обычно требует B₄C для спекания до высокой плотности. Горячее Прессование является традиционным методом для спекания B₄C к полной уплотнения. Эта техника часто ограничивается простых геометрий с ограниченной кривизны и довольно равномерное толщины. Дорогостоящей и трудоемкой обработки с Поликристаллический алмаз инструмента или лазерной резки требуется ввести тонкой или более сложные функции.

В качестве альтернативы коллоидное формирования методы с давлением менее спекания может производить почти полной плотности частей, которые требуют минимальной без обработки. Из-за отсутствия внешнего давления во время консолидации спекания СПИДа обычно добавляются к керамической среднего для повышения эффективности электромагнитную спекания. Углерода обычно используется как спекания помощи для B-₄C-^5,–^6,–⁷. Могут использоваться различные источники углерода, например наночастиц порошков или обугленный organics от пиролиза. Однородное распределение углерода, спекание помощи вдоль границ зерна является важным фактором для получения единообразных спекания B₄C. Таким образом концентрация углерода и размер частиц₄C B также являются важными и взаимосвязанными факторами для спекания частей для высокой плотности⁸.

Одним из наиболее перспективных коллоидных формирования методы для получения сложных фасонных керамических деталей является gelcasting. Этот метод включает в себя приведение керамическая подвеска с органических мономера в форму, которая polymerizes в situ действовать как гель^9,10,11. Геля служит связыватель сформировать зеленое тело в форме плесень, что достаточно сильны, чтобы быть обработаны без обрыва в следующие этапы обработки. Ранее невозможным 3D формы геометрии теперь могут производиться через лоу кост на полимерной основе Аддитивные производства (AM) методы, такие как стереолитографии (SLA) и плавленый осаждения моделирования (FDM)¹². Последние наличие 3D принтеры открыла новые возможности для проектирования керамики с весьма сложной геометрией.

Отрицательный аддитивного производства — это метод, который сочетает в себе gelcasting с жертвенным 3D-печатные формы. Сложность керамические части напрямую связана с сложности формы дизайна. Форма конструкции теперь может быть невероятно сложные с появлением пластиковых 3D принтеры высокого разрешения. Например трёхмерного сканирования инструментов может использоваться для захвата индивидуума контуры и включены в формы. С помощью отрицательных утра, могут создаваться легкий керамическая броня, с учетом размера тела и формы личности. Такой дизайн настроек может предоставить легкие доспехи вес повышения мобильности для пользователей.

Другие общие керамические AM методы, такие как прямые чернила написать (DIW), селективного лазерного спекания (SLS) и вяжущего, струйная (BJ), также эффективны в производстве сложных фасонных керамических деталей. Однако большинство из этих методов только полезны для производства тонкой пористой структуры и не являются эффективными при масштабировании до больших частей, таких как броня приложения^{13,14,,1516, 17}. Кроме того, большинство из этих методов не возможны для высоких объемов производства из-за высоких затрат. Таким образом негативные AM является предпочтительным и относительно недорогой маршрут для промышленного производства крупных деталей.

B₄C суспензий, используемых для gelcasting должна быть низкой вязкости и содержат желеобразователь и спекания помощи. Резорцин и формальдегида выбраны за их способность пройти реакции поликонденсации сформировать сеть резорцин формальдегидные (RF), которая помогает связать₄C частицы B вместе. Традиционные гидрогели, используемые для gelcasting ограничены прессформы с полой ядер благодаря высокой внутренней усадка, опытный во время сушки процесса¹⁸. Так как RF обычно используется как аэрогель, есть практически нет усадки, которая позволяет использовать более сложной формы плесени. Еще одно преимущество использования РФ является, что уровень гелеобразования может контролироваться путем изменения рН суспензии (рис. 3). Кроме того суспензии, содержащие резорцин или формальдегида могут готовиться в передовых и хранятся отдельно, пока они не готовы для литья. Самое главное гель РФ может быть pyrolyzed оставить позади 50 wt % углерода¹⁹. Это очень равномерное распределение углерода может помочь уплотнение B₄C к почти полной плотности при спекании. 15 wt % РФ относительно карбид бора используется в разработке подвески для предоставления 7,5 wt % углерода после пиролиза литых деталей.

Общая цель этой работы заключается в том, сочетать традиционные gelcasting методы с недорогой 3D возможности печати и уникальный желеобразователь получить почти полной плотности частей карбид бора с весьма сложной геометрией. Кроме керамики отрицательные AM может применяться для других материальных полей для создания совершенно новой геометрии мульти материальных систем. Методике, описанной здесь расширяется на работы, представленные в Lu et al. ⁸ и направлен на обеспечение более подробный протокол для воспроизведения этих результатов.