연구원들은 원자력 기술부터 우주선 및 제트 배기 시스템에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 레이저를 사용하여 초고온을 견딜 수 있는 세라믹을 만드는 새로운 기술을 시연했습니다. 이 기술은 세라믹 코팅, 타일 또는 복잡한 3차원 구조를 만드는 데 사용할 수 있으며, 이는 새로운 장치와 기술을 엔지니어링할 때 다양성을 높일 수 있습니다.
"소결은 분말이든 액체이든 원자재를 세라믹 재료로 변환하는 과정입니다."라고 이 연구에 대한 논문의 공동 저자이자 노스캐롤라이나 주립대학교 기계 및 항공우주 공학 교수인 Cheryl Xu는{0}} 말합니다. "이 작업을 위해 우리는 HfC(하프늄 카바이드)라고 하는 초{2}}초고온 세라믹에 중점을 두었습니다. 전통적으로 HfC를 소결하려면 섭씨 2,200도 이상의 온도에 도달할 수 있는 용광로에 원료를 넣어야 하는데, 이 과정은 시간이 많이 걸리고 에너지 집약적입니다.{6}}
"우리 기술은 더 빠르고 쉬우며 더 적은 에너지를 필요로 합니다."
새로운 기술은 진공 챔버 또는 아르곤으로 채워진 챔버와 같은 불활성 환경에서 액체 폴리머 전구체 표면에 120와트 레이저를 적용하여 작동합니다. 레이저는 액체를 소결하여 고체 세라믹으로 만듭니다. 이는 두 가지 다른 방법으로 사용될 수 있습니다.
첫 번째,액체 전구체는 미사일 및 우주 탐사 차량과 같은 극초음속 기술에 사용되는 탄소 복합재와 같은 기본 구조에 코팅으로 적용될 수 있습니다. 전구체를 구조물의 표면에 적용한 후 레이저로 소결할 수 있습니다.
"소결 공정에서는 전체 구조를 용광로의 열에 노출시킬 필요가 없기 때문에 새로운 기술을 사용하면 용광로에서 소결하여 손상될 수 있는 재료에 초고온 세라믹 코팅을 적용할 수 있는 가능성이 있습니다."라고 Xu는 말합니다.
두 번째엔지니어가 새로운 소결 기술을 활용할 수 있는 방법에는 3D 프린팅이라고도 알려진 적층 제조가 포함됩니다. 구체적으로, 레이저 소결법은 광조형술과 유사한 기술과 결합하여 사용될 수 있다.
이 기술에서는 레이저가 액체 전구체 욕조에 있는 테이블에 장착됩니다. 3차원 구조를 만들기 위해-연구원들은 구조의 디지털 디자인을 만든 다음 해당 구조를 레이어로 "슬라이스"합니다. 시작하려면 레이저가 폴리머 구조의 첫 번째 층의 프로파일을 그려 마치 그림에 색칠하듯이 프로파일을 채웁니다. 레이저가 이 영역을 "채우면" 열 에너지가 액체 폴리머를 세라믹으로 변환합니다. 그런 다음 테이블이 폴리머 욕조 안으로 조금 더 낮아지고 블레이드가 상단을 가로질러 쓸어 표면을 고르게 만듭니다. 그런 다음 레이저는 구조물의 두 번째 층을 소결하며, 이 과정은 소결된 세라믹으로 만들어진 완제품이 나올 때까지 반복됩니다.
"실제로 레이저가오직Xu는 "액체 전구체를 소결하는 것"이라고 Xu는 말했습니다. "레이저가 먼저 액체 폴리머를 고체 폴리머로 변환한 다음 고체 폴리머를 세라믹으로 변환한다고 말하는 것이 더 정확합니다. 그러나 이 모든 작업은 매우 빠르게 진행됩니다. 기본적으로는 1단계 프로세스입니다-."
개념 증명 테스트에서-연구원들은 레이저 소결 기술이 액체 폴리머 전구체로부터 결정질의 순수한 상-HfC를 생성한다는 것을 입증했습니다.
Xu는 "누군가가 액체 폴리머 전구체로부터 이러한 품질의 HfC를 생성할 수 있었던 곳을 아는 것은 이번이 처음입니다"라고 말했습니다. "그리고 이름에서 알 수 있듯이 초-온도 세라믹은 원자력 에너지 생산과 같이 기술이 극한의 온도를 견뎌야 하는 광범위한 응용 분야에 유용합니다."
연구원들은 또한 레이저 소결을 사용하여 탄소-탄소 섬유 강화 탄소 복합재(C/C)의 고품질 HfC 코팅을 만들 수 있음을 입증했습니다. 기본적으로 세라믹 코팅은 기본 구조에 접착되어 벗겨지지 않았습니다.
"C/C 기판의 HfC 코팅은 강력한 접착력, 균일한 적용 범위, 열 보호 및 내산화성 층으로 사용할 수 있는 가능성을 보여주었습니다."라고 Xu는 말했습니다. "극초음속 응용 분야 외에도 탄소/탄소 구조가 로켓 노즐, 브레이크 디스크 및 노즈콘 및 날개 앞쪽 가장자리와 같은 항공우주 열 보호 시스템에 사용되기 때문에 이는 특히 유용합니다."
새로운 레이저 소결 기술은 여러 면에서 기존 소결보다 훨씬 더 효율적입니다.
Xu는 "우리 기술을 사용하면 기존 기술은 몇 시간 또는 며칠이 걸리는 반면 초-고온 세라믹 구조와 코팅을 몇 초 또는 몇 분 만에 만들 수 있습니다"라고 말했습니다. "그리고 레이저 소결은 더 빠르고 고도로 국부화되어 있기 때문에 훨씬 적은 에너지를 사용합니다. 더욱이 우리의 접근 방식은 더 높은 수율을 제공합니다. 특히 레이저 소결은 전구체 질량의 최소 50%를 세라믹으로 변환합니다. 기존 접근 방식은 일반적으로 전구체의 20~40%만 변환합니다.
"마지막으로, 우리 기술은 상대적으로 이식성이 뛰어납니다"라고 Xu는 말했습니다. "예, 불활성 환경에서 수행되어야 하지만 진공 챔버와 적층 제조 장비를 운반하는 것은 강력한 대규모-로를 운반하는 것보다 훨씬 쉽습니다.
Xu는 "우리는 세라믹 분야의 이러한 발전에 대해 기쁘게 생각하며 공공 및 민간 파트너와 협력하여 이 기술을 실제 응용 분야에 사용할 수 있도록 전환하는 데 열려 있습니다."라고 말했습니다.
"액체 폴리머 전구체로부터 1{0}}단계 선택적 레이저 반응 열분해를 통한 하프늄 카바이드(HfC)의 합성"이라는 논문이미국 세라믹 학회지. 이 논문의-공동 교신저자는 NC State의 기계 및 항공우주 공학 교수인 Tiegang Fang입니다. 이 논문의 공동-저자는 NC State의 박사후 연구원인 Shalini Rajpoot와 박사인 Kaushik Nonavinakere Vinod입니다. NC 주립대 학생입니다.
이 연구는 샬럿에 있는 노스캐롤라이나 대학에 기반을 둔 첨단 세라믹 적층 제조 센터의 지원을 받아 수행되었습니다.
