3D басып шығару материалдарындағы алюминий оксиді ұнтағының жаңалығы
Солтүстік-Батыс политехникалық университетінің зертханасына кіріп бара жатып, жарықпен қатаю3D принтер аздап ызыңдап тұр, ал лазер сәулесі керамикалық ерітіндіде дәл қозғалады. Бірнеше сағаттан кейін лабиринт сияқты күрделі құрылымы бар керамикалық өзек толығымен көрсетіледі – ол ұшақ қозғалтқыштарының турбина қалақтарын құю үшін қолданылады. Жобаның жетекшісі профессор Су Хайцзюн нәзік компонентті нұсқап: «Үш жыл бұрын біз мұндай дәлдік туралы ойлауға да батылымыз бармайтын. Негізгі жетістік осы көзге көрінбейтін алюминий оксиді ұнтағында жасырылған», - деді.
Бір кездері алюминий оксиді керамикасы осы саладағы «проблемалық оқушы» сияқты болған3D басып шығару– жоғары беріктік, жоғары температураға төзімділік, жақсы оқшаулау, бірақ басып шығарылғаннан кейін көптеген мәселелер туындады. Дәстүрлі процестер кезінде глинозем ұнтағының сұйықтық деңгейі төмен және көбінесе басып шығару басын бітеп тастайды; күйдіру кезіндегі кішірею жылдамдығы 15%-20%-ға дейін жетуі мүмкін, ал үлкен күшпен басылған бөлшектер күйген бойда деформацияланып, жарылып кетеді; күрделі құрылымдар ма? Бұл одан да сән-салтанат. Инженерлер алаңдайды: «Бұл нәрсе жабайы идеялары бар, бірақ қолдары жеткіліксіз қыңыр суретшіге ұқсайды».
1. Орыс формуласы: «керамикалық сауыт» киюалюминийматрица
Бетбұрыс алғаш рет материалдық дизайндағы төңкерістен басталды. 2020 жылы Ресейдің Ұлттық ғылым және технология университетінің (NUST MISIS) материалтанушылары түбегейлі технологияны жариялады. Олар алюминий оксиді ұнтағын жай ғана араластырудың орнына, жоғары тазалықтағы алюминий ұнтағын автоклавқа салып, гидротермиялық тотығуды пайдаланып, әрбір алюминий бөлшегінің бетінде дәл басқарылатын қалыңдығы бар алюминий оксиді қабықшасының қабатын «өсірді», дәл алюминий шарына нано деңгейлі сауыт қабатын жапқандай. Бұл «өзек-қабық құрылымы» ұнтағы лазерлік 3D басып шығару кезінде (SLM технологиясы) таңғажайып өнімділік көрсетеді: қаттылығы таза алюминий материалдарына қарағанда 40%-ға жоғары, ал жоғары температуралық тұрақтылық айтарлықтай жақсарды, бұл авиациялық деңгей талаптарына тікелей сәйкес келеді.
Жоба жетекшісі, профессор Александр Громов айқын ұқсастық келтірді: «Бұрын композиттік материалдар салаттар сияқты болды – әрқайсысы өз ісін басқарды; біздің ұнтақтарымыз сэндвичтер сияқты – алюминий мен глинозем бір-бірін қабат-қабат тістейді, және екеуі де бір-бірінсіз өмір сүре алмайды». Бұл берік байланыс материалға ұшақ қозғалтқыштарының бөлшектері мен аса жеңіл кузов рамаларында өзінің шеберлігін көрсетуге мүмкіндік береді және тіпті титан қорытпаларының аумағына да қарсы тұра бастайды.
2. Қытай даналығы: керамиканы «орнату» сиқыры
Алюминий оксиді керамикалық басып шығарудың ең үлкен қиындығы - күйдіру кезіндегі кішірею - сіз саздан жасалған фигураны мұқият иледіңіз деп елестетіп көріңіз, ал ол пешке кірген бойда картоптың көлеміне дейін кішірейді. Ол қанша кішірейер еді? 2024 жылдың басында Солтүстік-Батыс политехникалық университетіндегі профессор Су Хайцзюнның командасының Материалдар ғылымы және технологиясы журналында жариялаған нәтижелері саланы таң қалдырды: олар кішірею жылдамдығы небәрі 0,3% болатын нөлге жуық кішіреймейтін алюминий оксиді керамикалық өзегін алды.
Құпия - қосуалюминий ұнтағыалюминий оксидіне, содан кейін дәл «атмосфералық сиқырды» ойнаңыз.
Алюминий ұнтағын қосыңыз: 15% ұсақ алюминий ұнтағын керамикалық ерітіндіге араластырыңыз
Атмосфераны бақылаңыз: Алюминий ұнтағының тотығуына жол бермеу үшін күйдірудің басында аргон газынан қорғайтын құралды қолданыңыз
Ақылды ауыстыру: Температура 1400°C дейін көтерілгенде, атмосфераны кенеттен ауаға ауыстырыңыз
Орнында тотығу: Алюминий ұнтағы тамшыларға лезде ериді және алюминий оксидіне дейін тотығады, ал көлемнің кеңеюі жиырылуды өтейді
3. Байланыстырғыш төңкерісі: алюминий ұнтағы «көрінбейтін желімге» айналады
Ресейлік және қытайлық топтар ұнтақты модификациялау бойынша қарқынды жұмыс істеп жатқанда, тағы бір техникалық бағыт - алюминий ұнтағын байланыстырушы зат ретінде пайдалану - біртіндеп жетіліп келеді. Дәстүрлі керамика3D басып шығаруБайланыстырғыштар негізінен органикалық шайырлар болып табылады, олар майсыздандыру кезінде күйген кезде қуыстар қалдырады. Отандық топтың 2023 жылғы патенті басқаша тәсілді қолданады: алюминий ұнтағын су негізіндегі байланыстырғышқа айналдыру47.
Басып шығару кезінде саптама алюминий оксиді ұнтақ қабатына 50-70% алюминий ұнтағы бар «желімді» дәл шашыратады. Майсыздандыру кезеңіне келгенде, вакуум тартылып, оттегі өткізіледі, ал алюминий ұнтағы 200-800°C температурада алюминий оксидіне дейін тотығады. 20%-дан астам көлемнің кеңеюі оның тесіктерді белсенді түрде толтыруына және кішірею жылдамдығын 5%-дан төменге дейін төмендетуіне мүмкіндік береді. «Бұл құрылысты бөлшектеумен және жаңа қабырға салумен бір уақытта өз тесіктеріңізді толтырумен тең!» - деп сипаттады бір инженер.
4. Бөлшектер өнері: сфералық ұнтақтың жеңісі
Алюминий оксиді ұнтағының «сыртқы көрінісі» күтпеген жерден жаңалықтардың кілтіне айналды – бұл көрініс бөлшек пішініне қатысты. 2024 жылы «Open Ceramics» журналында жарияланған зерттеуде сфералық және дұрыс емес алюминий оксиді ұнтақтарының балқытылған тұндыру (CF³) басып шығарудағы өнімділігі салыстырылды5:
Сфералық ұнтақ: ұсақ құм сияқты ағады, толтыру жылдамдығы 60%-дан асады, ал басып шығару тегіс және жібектей
Тұрақты емес ұнтақ: ірі қант сияқты жабысып қалған, тұтқырлығы 40 есе жоғары, ал саптама өмірге күмән келтіру үшін бітелген
Одан да жақсысы, сфералық ұнтақпен басылған бөлшектердің тығыздығы күйдіруден кейін 89%-дан оңай асады, ал беткі қабаты стандартқа тікелей сәйкес келеді. «Қазір кім әлі күнге дейін «ұсқынсыз» ұнтақты қолданады? Сұйықтық - бұл жауынгерлік тиімділік!» Техник күлімсіреп, қорытынды жасады5.
Болашақ: Жұлдыздар мен теңіздер кішкентай және әдемі нәрселермен қатар өмір сүреді
Алюминий оксиді ұнтағын 3D басып шығару төңкерісі әлі аяқталған жоқ. Әскери өнеркәсіп турбовентилятор қалақтарын өндіру үшін нөлге жақын жиырылу өзектерін қолдануда көшбасшылықты қолға алды; биомедициналық сала оның биоүйлесімділігіне қызығушылық танытып, арнайы жасалған сүйек имплантаттарын басып шығара бастады; электроника индустриясы жылу таратушы субстраттарды мақсат етіп қойды – өйткені, алюминий оксидінің жылу өткізгіштігі және электрлік емес өткізгіштігі алмастырылмайды.