Os pesquisadores demonstraram uma nova técnica que usa lasers para criar cerâmicas que podem suportar temperaturas ultra-altas, com aplicações que variam de tecnologias de energia nuclear a naves espaciais e sistemas de escape. A técnica pode ser usada para criar revestimentos de cerâmica, telhas ou estruturas tridimensionais complexas, o que permite maior versatilidade ao projetar novos dispositivos e tecnologias.
“A sinterização é o processo pelo qual as matérias-primas-pós ou líquidos-são convertidas em materials de cerâmica”, diz Cheryl Xu, co-correspondente autor de um artigo sobre esta pesquisa e professor de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade Estadual da Carolina do Norte. “Para este trabalho, focamos em uma cerâmica de temperatura ultra-alta chamada Hafnium Carbide (HFC). Tradicionalmente, o HFC de sinterização requer a colocação das matérias-primas em um forno que pode atingir temperaturas de pelo menos 2.200 graus Celsius-um processo que é demorado e intensivo de energia.
“Nossa técnica é mais rápida, mais fácil e requer menos energia”.
A nova técnica funciona aplicando um laser de 120 watts à superfície de um precursor de polímero líquido em um ambiente inerte, como uma câmara de vácuo ou uma câmara cheia de argônio. O laser sintede o líquido, transformando -o em uma cerâmica sólida. Isso pode ser usado de duas maneiras diferentes.
Primeiro, o precursor líquido pode ser aplicado como um revestimento a uma estrutura subjacente, como compósitos de carbono usados em tecnologias hipersônicas, como mísseis e veículos de exploração espacial. O precursor pode ser aplicado à superfície da estrutura e depois sinterizado com o laser.
“Como o processo de sinterização não requer expor toda a estrutura ao calor do forno, a nova técnica é promissora para nos permitir aplicar revestimentos de cerâmica de temperatura ultra-alta aos materiais que podem ser danificados pela sinterização em um forno”, diz Xu.
A segunda maneira pela qual os engenheiros podem usar a nova técnica de sinterização envolve a fabricação aditiva, também conhecida como impressão 3D. Especificamente, o método de sinterização a laser pode ser usado em conjunto com uma técnica semelhante à estereolitografia.
Nesta técnica, um laser é montado em uma mesa que fica em um banho do precursor líquido. Para criar uma estrutura tridimensional, os pesquisadores criam um design digital da estrutura e, em seguida, “fatia” que se estrutura em camadas. Para começar, o laser desenha o perfil da primeira camada da estrutura no polímero, preenchendo o perfil como se estivesse colorindo em uma imagem. À medida que o laser “preenche” esta área, a energia térmica converte o polímero líquido em cerâmica. A mesa abaixa um pouco mais no banho de polímero e uma lâmina varre a parte superior para unir a superfície. O laser então sintra a segunda camada da estrutura, e esse processo se repete até que você tenha um produto acabado feito da cerâmica sinterizada.
“Na verdade, é uma simplificação excessiva dizer que o laser é apenas sinterizando o precursor líquido “, diz Xu.” É mais preciso dizer que o laser primeiro converte o polímero líquido em um polímero sólido e depois converte o polímero sólido em cerâmica. No entanto, tudo isso acontece muito rapidamente-é essencialmente um processo de uma etapa “.
Nos testes de prova de conceito, os pesquisadores demonstraram que a técnica de sinterização a laser produzia HFC cristalina e pura de fase a partir de um precursor de polímero líquido.
“É a primeira vez que sabemos de onde alguém foi capaz de criar o HFC dessa qualidade a partir de um precursor de polímero líquido”, diz Xu. “E a cerâmica de temperatura ultra-alta, como o nome sugere, são úteis para uma ampla gama de aplicações em que as tecnologias devem suportar temperaturas extremas, como a produção de energia nuclear”.
Os pesquisadores também demonstraram que a sinterização a laser poderia ser usada para criar revestimentos HFC de alta qualidade de compósitos de carbono reforçados com fibra de carbono (C/C). Basicamente, o revestimento de cerâmica ligou -se à estrutura subjacente e não se afastou.
“Os revestimentos HFC em substratos C/C demonstraram forte adesão, cobertura uniforme e potencial de uso como proteção térmica e uma camada resistente a oxidação”, diz Xu. “Isso é particularmente útil porque, além de aplicações hipersônicas, as estruturas de carbono/carbono são usadas em bicos de foguetes, discos de freio e sistemas de proteção térmica aeroespacial, como cones de nariz e bordas líderes de asas”.
A nova técnica de sinterização a laser também é significativamente mais eficiente do que a sinterização convencional de várias maneiras.
“Nossa técnica nos permite criar estruturas e revestimentos de cerâmica de temperatura ultra-alta em segundos ou minutos, enquanto as técnicas convencionais levam horas ou dias”, diz Xu. “E como a sinterização a laser é mais rápida e altamente localizada, ele usa significativamente menos energia. Além disso, nossa abordagem produz um rendimento mais alto. Especificamente, a sinterização a laser converte pelo menos 50% do precursor em cerâmica. Abordagens convencionais normalmente convertem apenas 20-40% do precursor.
“Por fim, nossa técnica é relativamente portátil”, diz Xu. “Sim, isso deve ser feito em um ambiente inerte, mas o transporte de uma câmara de vácuo e equipamentos de fabricação aditiva é muito mais fácil do que transportar um forno poderoso e em larga escala.
“Estamos empolgados com esse avanço em cerâmica e estamos abertos a trabalhar com parceiros públicos e privados para fazer a transição dessa tecnologia para uso em aplicações práticas”, diz Xu.
O artigo, “Síntese do carboneto de Hafnium (HFC) por meio de uma reação seletiva a laser de uma etapa pirólise do precursor de polímero líquido”, é publicado no Jornal da Sociedade Cerâmica Americana. O autor co-correspondente do artigo é Tiegang Fang, professor de engenharia mecânica e aeroespacial no estado da NC. O primeiro autor do artigo é Shalini Rajpoot, pesquisador de pós -doutorado do NC State. O artigo foi co-autor de Kaushik Nonavinakere Vinod, um Ph.D. Aluno do Estado da NC.
A pesquisa foi feita com o apoio do Centro de Fabricação Aditiva de Cerâmica Avançada, baseada na Universidade da Carolina do Norte em Charlotte.
