בורון קרביד (B4C), עם ויקרס קשיות של 38 ממוצע ציונים, ידועה בשם השלישי הכי קשה חומר זמין מסחרית, מאחורי יהלום (~ 115 ממוצע ציונים), ניטריד בורון מעוקב (~ 48 ממוצע ציונים). זה מאפיין מסוים, יחד עם צפיפות נמוכה (2.52 גרם/ס"מ3), מקל אטרקטיבי עבור ההגנה יישומים כגון שריונות1. B4C גם יש נקודת התכה גבוהה, עמידות מעולה ללבוש, נייטרון גבוהה לקליטת לחצות סעיף2,3,4. עם זאת, ניצול תכונות מכניות חיוביים אלה בדרך כלל דורש B4C כדי להיות רכיבים כדי צפיפות גבוהה. לחיצה חם היא שיטה המקובלת עבור סינטור B4C כדי עיבוי בינוי מלאה. טכניקה זו הוא לרוב מוגבל גיאומטריות פשוטות עם עקמומיות מוגבל, יחסית אחיד עובי. יקר ולא עתירי עיבוד שבבי עם חיתוך יהלום polycrystalline אבזור או לייזר נדרש להציג תכונות עדינה או מורכבים יותר.
לחלופין, טכניקות ויוצרים colloidal עם פחות לחץ סינטור לייצור חלקים ליד-מלא צפיפות הדורשים מינימלי כדי לא עיבוד שבבי. עקב חוסר לחץ חיצוניים במהלך גיבוש, איידס מתיכות מתווספים בדרך כלל המדיום קרמיקה כדי להגביר את האפקטיביות של סינטור pressureless. פחמן נמצא בשימוש נפוץ כסיוע מתיכות עבור B4C5,6,7. מקורות פחמן שונים, כגון ננו-חלקיק אבקות או אורגניקס מפוחמים מ פירוליזה, יכול לשמש. התפלגות הומוגנית של פחמן סינטור סיוע לאורך גבולות תבואה הוא גורם חשוב להשגת סינטור אחיד של B4ג לכן, ריכוז פחמן וגודל החלקיקים4C B חשובים אף הם, גורמים סינטור חלקים צפיפות גבוהה8זה לזה.
אחת הטכניקות ויוצרים colloidal המבטיחים ביותר להשגת מורכבות בצורת חלקי קרמיקה היא gelcasting. טכניקה זו כוללת יציקת השעיה קרמיקה עם מונומר אורגניים לתוך תבנית אשר polymerizes בחיי עיר לפעול כמו10,9,ג'ל11. הג'ל משמש כדבק להקים גוף ירוק בצורת כייר חזקה מספיק כדי להיות מטופלים ללא שבירה בשלבי העיבוד הבאים. בעבר ניתן להפיק גיאומטריות עובש תלת-ממד אפשרי עכשיו דרך בעלות נמוכה מבוסס פולימר כתוסף בייצור (AM) טכניקות כגון stereolithography (SLA) ומשקעים מאוחה דוגמנות (FDM)12. הזמינות האחרונות של מדפסות תלת-ממד פתחה אפשרויות חדשות לעיצוב קרמי עם מאוד לסימולציה.
הייצור מוספים שלילי היא טכניקה המשלבת gelcasting עם עובש מודפס 3D ההקרבה. המורכבות של החלק קרמיקה קשורה ישירות המורכבות של העיצוב עובש. עובש עיצובים עכשיו יכול להיות מאוד מתוחכמת עם כניסתו של מדפסות תלת-ממד פלסטיק ברזולוציה גבוהה. לדוגמה, ניתן להשתמש 3D סריקה כלים כדי ללכוד את קווי המתאר של הפרט, ניתן לשלב לתוך תבניות. באמצעות AM שלילית, ניתן ליצור משקל שריונות קרמיקה המותאמים בצורה ובגודל הגוף של הפרט. להתאמות כגון אלו עיצוב יכול לספק שריונות קלים במשקל עם ניידות משופרים עבור המשתמשים.
טכניקות AM קרמיקה נפוצות אחרות כגון דיו ישיר לכתוב (DIW), חימום בלייזר סלקטיבית (SLS), קלסר לטוס (BJ) הם גם יעיל בהפקת מורכבים חלקים מקרמיקה בצורת. עם זאת, רוב שיטות אלה שימושיים רק עבור ייצור מבנים נקבובי בסדר, הם לא יעילים בעת שינוי קנה המידה עד חלקים גדולים, כגון שריון יישומים13,14,15,16, 17. יתר על כן, רוב שיטות אלה אינן ריאלי עבור נפח גבוה הייצור עקב הוצאות גבוהות. לכן, אני שלילי הוא מסלול מועדף וזולה יחסית לייצור תעשייתי ברמת חלקים בקנה מידה גדול.
המתלים4C B המשמש עבור gelcasting חייב להיות דל צמיגות ומכילים סוכן ג'לי, sintering סיוע. Resorcinol ופורמלדהיד נבחרו ביכולתם לעבור תגובות polycondensation כדי ליצור רשת resorcinol-פורמלדהיד (RF), אשר מסייע כדי לכרוך את החלקיקים4C B ביחד. Hydrogels המסורתי המשמש gelcasting מוגבלות בתבניות עם ליבות חלול עקב הצטמקות פנימה גבוהה מנוסים במהלך תהליך ייבוש18. מאז RF משמש בדרך – כלל אירוג'ל, אין הרבה כדי לא הצטמקות, מה שמקנה השימוש בתבניות בצורת יותר מסובכת. יתרון נוסף של שימוש RF הוא כי הקצב gelation יכול להיות נשלט על ידי שינוי ה-pH של המתלה (איור 3). בנוסף, המתלים resorcinol או פורמלדהיד הכוללת ניתן להכין מתקדמים והם מאוחסנים בנפרד עד שיהיו מוכנים על הליהוק. והכי חשוב, הג'ל RF יכול להיות pyrolyzed להשאיר מאחור wt 50% פחמן19. הפצה זו מאוד הומוגנית של פחמן יכול לסייע של עיבוי בינוי של B4C כדי צפיפויות ליד-מלא במהלך סינטור. 15% wt RF ביחס בורון קרביד משמש בניסוח ההשעיה לספק 7.5% wt של פחמן לאחר פירוליזה החלקים יצוקה.
המטרה הכוללת של עבודה זו היא שילוב טכניקות מסורתיות gelcasting עם זולות יכולות הדפסה 3D סוכן ג'לי ייחודי כדי להשיג צפיפות ליד-מלא בורון קרביד חלקי עם מאוד לסימולציה. בנוסף קרמיקה, ניתן להחיל AM שלילי לשדות חומרים אחרים כדי ליצור גיאומטריות חדשה לגמרי של מערכות חומר רב. המתודולוגיה המתוארת כאן מרחיב על העבודה שהוצגו ב- Lu. et al. 8 , שואפת לספק פרוטוקול מפורט יותר לשחזר את התוצאות.