西北工科大学材料科学工学部の蘇海軍教授のチームは、超高温酸化物共晶複合セラミック添加剤の研究で重要な進歩を遂げました。

西北工科大学材料科学工学部の蘇海軍教授のチームは、超高温酸化物共晶複合セラミック添加剤の研究で重要な進歩を遂げました。
出典: マテリアルマイクロライフ

超高温酸化物共晶複合セラミックスは、優れた高温機械的特性と環境特性を備えており、1400°Cを超える酸素に富む環境で長期間使用される新世代の高推力航空宇宙エンジンのホットエンド部品の重要な候補材料です。世代を越えた航空宇宙や高推力比エンジンなどの戦略的装備向けの1400℃以上の長寿命軽量超高温構造セラミックスの緊急のニーズに応えて、材料学院の蘇海軍教授のチームは近年、独自の革新と継続的な研究にこだわり、高融点(> 1700℃)酸化物共晶セラミックスの均質溶融/凝固技術の未熟さ、凝固欠陥と微細構造制御の難しさ、強度と靭性の不一致などの問題を解決し、一連の重要な進歩と独自のブレークスルーを達成しました。当社は、独自の知的財産権を有する複合セラミックスの超高温勾配方向性凝固およびレーザー積層造形技術と設備を発明し、温度範囲が広く、高温耐荷力を備えた低コストの超高温酸化物共晶セラミックスの新システムシリーズを開発し、組織、結晶配向、性能の協調制御を実現しました。関連する結果は最近、Nano Lett、Addit Manuf、Compos Part B-Eng、J Mater Sci Technol、J Eur Ceram Soc、J Adv Ceram など、材料分野の権威ある学術雑誌に掲載されました。

レーザー超高温高勾配方向性凝固およびセラミック積層造形技術<br /> 対称的な狭い溶融ゾーンの集束、拘束のないサスペンション溶融、液体金属の強制冷却の設計を通じて、独立した知的財産権を持つ耐火材料レーザーサスペンションゾーン溶融のシンプルで効率的な超高温勾配方向性凝固法が発明されました。温度勾配は10000K / cmに達し、文献で報告されている温度勾配よりもほぼ1桁高くなっています。一連の完全に緻密で表面が滑らかで亀裂のない共晶セラミックスの急速凝固調製が達成され(図1a)、熱機械結合の作用による気孔、偏析、亀裂などの欠陥の形成メカニズムが明らかになりました。


これを基に、当社はレーザー同軸粉末供給ニアネット成形システム(LDED、図1(b1-b2))とレーザー選択溶融成形システム(LPBF、図1(b3))を含む、国際先進レベルの複合セラミック材料のワンステップレーザー積層造形装置を独自に設計・開発しました(図1b)。レイヤーバイレイヤー印刷プロセスの温度と応力場の分析、堆積層の構造と進化の理論分析に基づいて、アルミナベースの共晶セラミックスの連続的で安定した成形の理論的基準を確立し、ワンステップニアネット、低欠陥の急速成形を実現しました(図1c)。例えば、国際文献で報告されている最長サイズ(直径6mm、長さ410mm)の酸化物共晶セラミックスは、高密度(約99%)、高アスペクト比(>100)、超微細共晶構造(約88nm)を、高温焼結なしで1段階で形成し、表面精度は100ミクロンに達しました。上記の研究は、Compos Part B-Eng、Addit Manuf、J Mater Sci Technol などの権威あるジャーナルに 12 件の高品質な論文として掲載されました。

図1. (a) 酸化物共晶セラミックスの高勾配方向性凝固法:(a1) 超高温勾配レーザー浮上技術、(a2) レーザー浮上ゾーン溶融共晶セラミックス試験棒、(a3) 大型共晶セラミックスの方向性凝固、(b) レーザー3Dプリント成形装置:(b1-b2) レーザー直接方向性エネルギー堆積装置と印刷プロセス、(b3) レーザー粉末床溶融装置の概略図、(c) レーザー3Dプリント成形サンプル(c1-c4)と光硬化3Dプリントに基づく複合部品(c5-c9)
高融点エントロピー酸化物共晶セラミックスの微細構造変態と結晶方位制御

異なるシステムにおける高融点エントロピーの小平面共晶セラミックスの凝固微細構造の進化を研究することにより(図2a-b)、小平面共晶液体-固体界面の曲率の過冷却モデルを確立し、共晶の特性スケールと凝固パラメータとの定量的な関係を得ました。広範囲の組成と凝固速度内で共晶共生領域を予測することに成功し(図2c)、共晶セラミックスの組成設計範囲を拡大し、多相共晶セラミックスの凝固構造の均一かつ精緻な制御を実現しました。これを基に、高融点エントロピー酸化物共晶セラミックスの共生成長挙動を研究し、不規則共晶形態変態の普遍法則を発見しました。シード誘導と運動条件の組み合わせに基づいて、小さなファセット共晶の不規則-規則変態の重要なメカニズムが形態学的および結晶学的観点から明らかにされ(図2d)、強い異方性の小さなファセット共晶の成長方位競合関係と低エネルギー界面構造規制メカニズムが明らかにされ(図2e-f)、大型(直径30mm、長さ120mm、密度99.6%)共晶セラミックスの結晶学的組織制御(方位差2.5°未満)が達成されました。上記の研究は、J Eur Ceram Soc、Addit Manuf、J Mater Sci Technol などの権威ある学術誌に 5 つの高品質な論文として掲載されています。

図 2. (a) 高融点エントロピー酸化物共晶セラミックスの方向性凝固構造の変態と規則化特性、(b) 3D プリント非平衡急速凝固構造特性、(c) 共晶共生領域の予測と実験結果の検証、(d) ラメラロッド構造の規則化変態と共存領域の予測、(e) 種結晶誘導下での共晶結晶方位競合の進化、(f) 異なる相界面関係下での界面不一致シミュレーションと計算
酸化物共晶セラミックスの機械的および機能的特性

プロセス、組織、組成の体系的な最適化により、製造されたAl2O3/YAG/ZrO2共晶セラミックスの圧縮強度と曲げ強度はそれぞれ2.6GPaと2.7GPaに達しました。Al2O3/YAG共晶セラミックスの曲げ強度は室温から1600℃(280MPa〜320MPa)まで基本的に変化せず、超高温多相共晶セラミックスの組織と特性の協調制御を実現しました。マイクロナノ構造の共晶セラミックスを空気中で1500℃で300時間熱曝露した後、微細構造の粗大化速度は0.002μm/h未満となり(図3a-b)、長年業界を悩ませてきたマイクロナノ構造セラミックスの高温微細構造粗大化という国際的な問題を解決しました。インサイチュウ気孔成長メカニズムは、マトリックスと気孔の連続的な結合成長を導き、コヒーレント/セミコヒーレントの強力な結合相界面を実現します (図 3c)。 気孔率が 34% の場合、Al2O3/YAG/ZrO2 共晶セラミックの室温曲げ強度は 497MPa (図 3d) で、1500°C でも 324MPa に達し、国際的な多孔質セラミック強度記録を更新し、文献で報告されている多孔質セラミックの最高強度レベルの 2 倍になります。

一方向凝固Al2O3/YAG共晶セラミックスを1300℃で32時間CMAS溶融塩で腐食させた後、腐食浸透厚さは64μm以内に制御されました。溶解-再沈殿後に形成された緻密な反応層はCMASの浸透を効果的に防止し(図3e)、高温極限環境腐食に対する優れた耐性を示しました。 Ce3+とCr3+を共ドープすることで(図3f)、材料の発光効率と演色評価数が大幅に向上し(約116.48 lm/W、Ra=90)、共晶蛍光セラミックスは温度上昇に伴う熱安定性が良好であることがわかりました。優れた性能と統合された構造と機能を備えたAl2O3/YAG共晶蛍光セラミックが得られ、LEDやレーザーなどの高出力照明分野で重要な応用の見通しがあります。さらに、製造されたAl2O3/ZrO2共晶セラミックスは優れた生物学的特性を持ち、抗老化および細胞増殖のメカニズムを明らかにし、人工歯や骨修復などの生物医学分野での幅広い応用の見通しを持っています。上記の研究は、Nano Lett、Addit Manuf、J Eur Ceram Soc、J Adv Ceram、J Mater Sci Technol などの権威あるジャーナルに 11 件の高品質論文として掲載されています。

図 3. (a) 酸化物共晶セラミックスの凝固組織粗大化率、(b) 熱曝露前後の室温から高温 (1600℃) までの硬度、破壊靭性、曲げ強度、(c) 凝集/半凝集の強結合相界面、(d) 異なる多孔度における多孔質共晶セラミックスの曲げ特性、(e) CMAS 耐食性、(f) 蛍光セラミックスの発光特性
合金

<<:  レビュー:シリコンカーバイドセラミック積層造形研究の新たな進歩

>>:  MechnanoとBomarが協力してESD 3Dプリント樹脂用のE35B+マスターバッチを開発

推薦する

Qiyu Technologyが独自に開発した装置は、高純度、大型、複雑なシリコンカーバイド構造、勾配G曲面を印刷します。

セラミック積層造形技術に注力するハイテク企業Qiyu Technologyは最近、高純度で大型のシリ...

統合イノベーション開発を推進します!第5回国際先端技術と個別化医療会議が仏山で成功裏に開催されました

2023年1月14日から15日まで、第5回国際先端技術・個別化医療会議が仏山で盛大に開催されました...

光硬化圧電セラミック超音波トランスデューサーオリジナル 3D プリントに関して言えば、私は国務院で講演した男性を尊敬するだけです...

寄稿者: 陳瑞光、連秦熱硬化性短繊維強化ポリマー (SFRP) 複合材料は、優れた熱安定性、寸法安定...

ナノディメンション、新型回路3DプリンターDragonFly 2020 Proを発売

2015年、エレクトロニクス3DプリンティングのリーダーであるイスラエルのNano Dimensi...

3Dプリントされた本物そっくりのフィギュアがユニバーシアード選手村で人気

出典:人民日報第31回FISU世界大学夏季競技大会が最近、中国南西部の四川省成都で開催され、中国のハ...

Sepura は 3D プリントを使用して無線機器の生産サイクルを簡素化し、時間を 90% 短縮しました。

2022年4月14日、アンタークティックベアは、英国を拠点とする通信機器サプライヤーであるSepu...

2024年初の3Dプリント「サイエンス」記事、3Dプリントは多色の発光構造を生成できる!

この投稿は Coco Bear によって 2024-1-16 22:12 に最後に編集されました。 ...

ロシアの大学が3Dプリントロボットアームを実演、黒龍江大学や中国企業と協力

現在エカテリンブルクで開催中の国際産業見本市「イノプロム2016」では、多くのロシアの企業や機関が3...

3D Systemsの第1四半期の収益は前年同期比5200万ドル減少したが、依然として赤字である。

3Dプリンター大手の3D Systems(3DS)は、過去数年間、定番のデスクトップ3Dプリンター...

PolyMax PLA 素材を 298 元/ロールで無料で入手しましょう!計50巻、最後の2日間

高性能 FDM フィラメント メーカーである Polymaker は誰もが知っていますが、当然ながら...

韓国の現代百貨店ギャラリア光教店の建設における 3D プリント技術の応用

概要:韓国の光教の中心部に位置するギャラリア光教は、建築設計と建設における 3D プリント技術の高度...

陝西省が2023年に重点産業チェーンの主要コア技術の産業化を支援するプロジェクトを公表

2023年4月24日、南極熊は、陝西省が最近「2023年重点産業チェーンの主要コア技術の産業化を支...

金属3Dプリントの新たなプレーヤー:厦門五星龍テクノロジー

厦門五星龍科技有限公司は2016年5月に設立され、美しい沿岸都市厦門に本社を置いています。同社のパー...

HP、デカトロン、ロナティグループがミラノのITMAで持続可能な3Dプリントフットウェアコンセプトを展示

2023年6月14日、アンタークティックベアは、HP、デカトロン、ロナティグループがミラノのITM...