Negative tilsætningsstof fremstilling af komplekse formet Boron metalcarbider

Borcarbid (B₄C), med en Vickers hårdhed på ca 38 GPa, er kendt som den tredje sværeste kommercielt tilgængelige materiale bag diamant (~ 115 GPa) og kubisk bornitrid (~ 48 GPa). Denne særlige egenskab, sammen med en lav befolkningstæthed (2,52 g/cm³), gør det attraktivt for forsvar applikationer såsom armors¹. B₄C har også et højt smeltepunkt, overlegen slidstyrke og høje neutronindfangning tværs afsnit^2,3,4. Udnyttelse af disse gunstige mekaniske egenskaber kræver dog typisk B₄C at være sintret til en høj tæthed. Varme presserende er en konventionel metode til sintring B₄C til fuld fortætning. Denne teknik er ofte begrænset til simpel geometrier med begrænset krumning og ensartet forholdsvis tykkelse. Dyrt og arbejdskrævende bearbejdning med polykrystallinske diamant værktøjer eller laser opskæring er forpligtet til at indføre finere eller mere komplekse funktioner.

Alternativt, kolloid danner teknikker med pres-mindre sintring kan producere nær fuld tæthed dele, som kræver minimal til nogen bearbejdning. På grund af manglende eksterne pres under konsolidering tilføjes sintring aids normalt til det keramiske medie til at øge effektiviteten af pressureless sintring. Carbon er almindeligt anvendt som en sintering støtte til B₄C^5,6,7. Forskellige CO2-kilder, såsom nanopartikel pulvere eller forkullede organics fra pyrolyse, kan anvendes. Homogen fordeling af kulstof sintring støtte langs korn grænser er en vigtig faktor for at opnå ensartet sintring af B₄C. Derfor er CO2 koncentration og B₄C partikelstørrelse er også vigtige og indbyrdes forbundne faktorer til sintring dele til høj massefylde⁸.

En af de mest lovende kolloid danner teknikker for at opnå komplekse formede keramiske dele er gelcasting. Denne teknik indebærer støbning en keramisk suspension med en økologisk monomer i en støbeform, der polymeriserer i stedet for at fungere som en gel^9,10,11. Gelen fungerer som et bindemiddel til at danne en grøn krop i form af skimmel, der er stærk nok til at blive behandlet uden brud i efterfølgende behandlingstrin. Tidligere kan umuligt 3D skimmel geometrier nu produceres gennem lavpris-polymer-baserede additive manufacturing (AM) teknikker som stereolithography (SLA) og sammenvokset deposition modellering (FDM)¹². De seneste tilgængelighed af 3D-printere har åbnet nye muligheder for at designe keramik med yderst komplekse geometrier.

Negative additive manufacturing er en teknik, der kombinerer gelcasting med hellige 3D-trykt forme. Den keramiske del kompleksitet er direkte relateret til kompleksiteten af skimmel design. Skimmel design kan nu være utroligt sofistikeret med fremkomsten af høj opløsning plast 3D printere. 3D scanning værktøjer kan eksempelvis bruges til at fange en persons konturer og indarbejdes i forme. Ved hjælp af negative AM, kan letvægts keramiske armors skræddersyet til enkeltperson kropsstørrelse og form oprettes. Sådan design tilpasninger kan give lettere vægt armors med øget mobilitet for brugere.

Andre fælles keramiske AM teknikker som direkte blæk skrive (DIW), selektiv laser sintring (SLS), og binder jetting (BJ) er også effektive til at producere komplekse formede keramiske dele. Men de fleste af disse teknikker er kun nyttig for at producere fine porøse strukturer og er ikke effektive, når skalering op til store dele, såsom rustning programmer^{13,14,15,16, 17}. desuden de fleste af disse teknikker er ikke muligt for høj volumen produktion på grund af høje udgifter. Derfor er negative AM en foretrukne og relativt billig rute til industriel produktion af store dele.

B₄C suspensioner anvendes til gelcasting skal være lavt i viskositet og indeholde en geldannende agent og sintring støtte. Resorcinol og formaldehyd er udvalgt for deres evne til at gennemgå polykondensation reaktioner til at danne en resorcinol-formaldehyd (RF) netværk, som hjælper med at binde B₄C partikler sammen. Traditionelle hydrogels anvendes til gelcasting er begrænset til forme med hule kerner på grund af den høje indad svind erfarne under tørring proces¹⁸. Da RF er almindeligt anvendt som en aerogel, er der lidt at ingen svind, der tillader brug af mere kringlet formet forme. En anden fordel ved hjælp af RF er, at gellation satsen kan kontrolleres ved at ændre pH i suspension (figur 3). Derudover kan opslæmninger indeholdende enten resorcinol eller formaldehyd tilberedes i avanceret og opbevares særskilt, indtil de er klar til støbning. Vigtigst, kan RF gel være pyrolyzed for at efterlade 50 wt % kulstof¹⁹. Denne meget homogen fordeling af kulstof kan støtte fortætning af B₄C til nær-fuld tætheder under sintring. 15 wt % af RF i forhold til borcarbid bruges i formuleringen af suspension til at give 7,5 wt % kulstof efter pyrolyse af støbt dele.

Det overordnede mål for dette arbejde er at kombinere traditionel gelcasting teknikker med billig 3D trykning kapaciteter og en unik geldannende agent at opnå nær fuld tæthed borcarbid dele med meget komplekse geometrier. Ud over keramik, kan negative AM anvendes til andre materielle felter for at oprette helt nye geometrier multi materielle systemer. Den metode beskrevet her udvider på arbejde præsenteret i Lu et al. ⁸ og sigter på at give en mere detaljeret protokol gengivelse disse resultater.