Отрицательный аддитивного производства сложных фасонных Карбиды бора

Резюме

Метод, называемый отрицательный аддитивного производства используется для производства вблизи полностью плотной сложной формы из карбида бора частей различных длина шкалы. Этот метод возможен через разработку Роман подвеска с участием резорцин формальдегидная как уникальный желатинизирующий агент, который оставляет позади однородных углерода спекания помощи после пиролиза.

Аннотация

Карбид бора (B₄C) является одним из трудных материалов в существовании. Однако этот привлекательный отель также ограничивает его machineability в сложные формы для высокую износостойкость, высокая твердость и легкий материал приложений, таких как броня. Для преодоления этой проблемы, негативные аддитивного производства (AM) используется для производства сложных геометрий Карбиды бора в различных масштабах длины. Отрицательный AM впервые включает в себя gelcasting подвеска в 3D-печатных пластиковых плесень. Плесень затем растворяется прочь, оставляя позади зеленое тело как копия отрицательные. Смолы резорцин формальдегидные (RF) используется как Роман желеобразователь, потому что в отличие от традиционных гидрогели, есть практически нет усадки, которая позволяет чрезвычайно сложной формы для использования. Кроме того этот желатинизирующий агент может быть pyrolyzed оставить позади ~ 50 wt % углерода, который является весьма эффективным спекания помощи B₄C. из-за этого очень равномерное распределение в situ углерода в рамках матрицы B₄C, менее 2% пористости может быть достигнуто после спекания. Этот протокол подробно освещаются методологии для создания вблизи части полностью плотной карбид бора с весьма сложной геометрией.

Введение

Карбид бора (B₄C), с Vickers твердость около 38 ГПД, известен как третий наиболее коммерчески доступных материалов, за алмаз (~ 115 ГПД) и кубического нитрида бора (~ 48 ГПД). Это особое свойство, наряду с низкой плотностью (2.52 g/см³), делает его привлекательным для приложений обороны например доспехов¹. B₄C также имеет высокую температуру плавления, превосходной износостойкостью и высокой нейтронного поглощения крест раздел^2,3,4. Однако использование этих благоприятных механических свойств обычно требует B₄C для спекания до высокой плотности. Горячее Прессование является традиционным методом для спекания B₄C к полной уплотнения. Эта техника часто ограничивается простых геометрий с ограниченной кривизны и довольно равномерное толщины. Дорогостоящей и трудоемкой обработки с Поликристаллический алмаз инструмента или лазерной резки требуется ввести тонкой или более сложные функции.

В качестве альтернативы коллоидное формирования методы с давлением менее спекания может производить почти полной плотности частей, которые требуют минимальной без обработки. Из-за отсутствия внешнего давления во время консолидации спекания СПИДа обычно добавляются к керамической среднего для повышения эффективности электромагнитную спекания. Углерода обычно используется как спекания помощи для B-₄C-^5,-^6,-⁷. Могут использоваться различные источники углерода, например наночастиц порошков или обугленный organics от пиролиза. Однородное распределение углерода, спекание помощи вдоль границ зерна является важным фактором для получения единообразных спекания B₄C. Таким образом концентрация углерода и размер частиц₄C B также являются важными и взаимосвязанными факторами для спекания частей для высокой плотности⁸.

Одним из наиболее перспективных коллоидных формирования методы для получения сложных фасонных керамических деталей является gelcasting. Этот метод включает в себя приведение керамическая подвеска с органических мономера в форму, которая polymerizes в situ действовать как гель^9,10,11. Геля служит связыватель сформировать зеленое тело в форме плесень, что достаточно сильны, чтобы быть обработаны без обрыва в следующие этапы обработки. Ранее невозможным 3D формы геометрии теперь могут производиться через лоу кост на полимерной основе Аддитивные производства (AM) методы, такие как стереолитографии (SLA) и плавленый осаждения моделирования (FDM)¹². Последние наличие 3D принтеры открыла новые возможности для проектирования керамики с весьма сложной геометрией.

Отрицательный аддитивного производства — это метод, который сочетает в себе gelcasting с жертвенным 3D-печатные формы. Сложность керамические части напрямую связана с сложности формы дизайна. Форма конструкции теперь может быть невероятно сложные с появлением пластиковых 3D принтеры высокого разрешения. Например трёхмерного сканирования инструментов может использоваться для захвата индивидуума контуры и включены в формы. С помощью отрицательных утра, могут создаваться легкий керамическая броня, с учетом размера тела и формы личности. Такой дизайн настроек может предоставить легкие доспехи вес повышения мобильности для пользователей.

Другие общие керамические AM методы, такие как прямые чернила написать (DIW), селективного лазерного спекания (SLS) и вяжущего, струйная (BJ), также эффективны в производстве сложных фасонных керамических деталей. Однако большинство из этих методов только полезны для производства тонкой пористой структуры и не являются эффективными при масштабировании до больших частей, таких как броня приложения^{13,14,,1516, 17}. Кроме того, большинство из этих методов не возможны для высоких объемов производства из-за высоких затрат. Таким образом негативные AM является предпочтительным и относительно недорогой маршрут для промышленного производства крупных деталей.

B₄C суспензий, используемых для gelcasting должна быть низкой вязкости и содержат желеобразователь и спекания помощи. Резорцин и формальдегида выбраны за их способность пройти реакции поликонденсации сформировать сеть резорцин формальдегидные (RF), которая помогает связать₄C частицы B вместе. Традиционные гидрогели, используемые для gelcasting ограничены прессформы с полой ядер благодаря высокой внутренней усадка, опытный во время сушки процесса¹⁸. Так как RF обычно используется как аэрогель, есть практически нет усадки, которая позволяет использовать более сложной формы плесени. Еще одно преимущество использования РФ является, что уровень гелеобразования может контролироваться путем изменения рН суспензии (рис. 3). Кроме того суспензии, содержащие резорцин или формальдегида могут готовиться в передовых и хранятся отдельно, пока они не готовы для литья. Самое главное гель РФ может быть pyrolyzed оставить позади 50 wt % углерода¹⁹. Это очень равномерное распределение углерода может помочь уплотнение B₄C к почти полной плотности при спекании. 15 wt % РФ относительно карбид бора используется в разработке подвески для предоставления 7,5 wt % углерода после пиролиза литых деталей.

Общая цель этой работы заключается в том, сочетать традиционные gelcasting методы с недорогой 3D возможности печати и уникальный желеобразователь получить почти полной плотности частей карбид бора с весьма сложной геометрией. Кроме керамики отрицательные AM может применяться для других материальных полей для создания совершенно новой геометрии мульти материальных систем. Методике, описанной здесь расширяется на работы, представленные в Lu et al. ⁸ и направлен на обеспечение более подробный протокол для воспроизведения этих результатов.

протокол

Предупреждение: Пожалуйста проконсультироваться с листы данных безопасности (ИКБ) всех материалов и носить надлежащего защитного оборудования (СИЗ) при обработке материалов до литья и лечить. Резорцин и полиэтилена Имин известны как токсичные. Формальдегид является токсичных и канцерогенных²⁰. Подготовка керамики суспензий должно быть сделано в химических вытяжных или других правильно вентилируемом рабочих средах.

1. негативные Аддитивные производства

1. Подготовка 120 мл суспензии двух частей
   Примечание: Двух частей подвески будет готов помочь продлить срок годности суспензии до литья. Один подвеска (R-mix) будет содержать компонент резорцин, и другие (F-микс) будет содержать компонент формальдегида. Обе суспензий будут смешаны вместе сформировать окончательный подвеска, которая будет инициировать процесс гелеобразование.
   1. Чтобы создать R-mix, начните путем растворения 0,88 г Имин полиэтилена (PEI) в 25.00 g воды с помощью планетарные смесители.
   2. Чтобы создать отдельный F-микс, растворяют 0,88 г Имин полиэтилена (PEI) в 16.83 g воды с помощью планетарные смесители.
      Примечание: Использование планетарный смеситель при 2000 об/мин для по крайней мере несколько минут обеспечит достаточные сдвига силы помочь распустить вязкой PEI, резорцин и формальдегид и приостановить частиц из карбида бора. PEI служит диспергатор для частицы B₄C
   3. Растворяются 12,60 гр порошка резорцин в R-mix. Решение следует обратиться прозрачный раствор от облачно белая после полного растворения порошка от смешивания.
   4. Добавление F-микс 17,03 г раствора формальдегида и обеспечить полное смешивание.
   5. Постепенно добавьте 5,25 g (12 шагом до достижения 63.00 г) порошка из карбида бора (1500F) в F-микс, так и R-mix отдельно.
   6. Добавьте 6,50 g уксусной кислоты в R-mix и F-микс и обеспечить полное смешивание в каждом.
      Примечание: на данный момент, двух частей подвески будет иметь 42 vol % B₄C и готовы быть объединены для литья или хранить для будущего использования (если должным образом опечатаны). Помните, что если суспензий сидеть на ~ 1 час или более, частица урегулирования будет происходить. Убедитесь, что частицы являются высокомобильна применяя тщательную агитации перед использованием суспензий. Кроме того три различных коммерческих партий Карбиды бора, 1250F, 1500F и 3000F (названный согласно их приблизительное фильтруют сетки размерами), первоначально были протестированы. Каждый пакет имеет разные гранулометрический состав, и пакете₄C B 1500F был найден для достижения высоких спекания плотность, как сообщалось в Lu et al. ⁸. уксусной кислоты также могут быть добавлены до загрузки шаг также твердые₄C B, но добавление в конце предлагает лучшую легкость обработки, ограничивая запах уксусной кислоты.
2. Подготовка 3D печатных форм для литья
   1. Подготовка формы дизайна программы автоматизированного проектирования (CAD).
   2. Печать формы с помощью моделирования плавленый осаждения (FDM) 3D-принтер с Акрилонитрил бутадиен стирола (ABS) нитями.
      Примечание: Ацетон паров может использоваться для сглаживания плесень текстуры, при желании²¹. Предлагаемые сопла и кровати температуры являются 240 ° C и 110 ° C, соответственно. Такие параметры, как толщина слоя (0,2 мм), скорость экструзии и скорость охлаждения выбираются для оптимизации качества части с минимальной деформации. Это требует некоторых проб и ошибок с каждой системой уникальный принтера. Рекомендуется иметь толщину не менее 1 мм. Минимальным размером является 0,5 мм; Однако предложено не опускается ниже 1 мм. формы от Лу и др. ⁸ доступны для скачивания онлайн в пояснительные материалы.
3. Сочетание двух частей подвески подготовить для литья
   1. До объединения, тщательно агитировать (с помощью вихревого или планетарный смеситель) R-микс с F-микс суспензий индивидуально для обеспечения B₄C частицы хорошо приостановлено.
   2. Совместить R-mix и F-микс для получения окончательного подвеска.
      Примечание: pH Комбинированная подвеска должна быть 2.8, который будет обеспечивать около 30 минут рабочего времени для исключения из воздуха и бросили окончательное приостановление начала происходит гелеобразование. Начала гелеобразования можно наблюдать от резкого увеличения вязкости суспензии.
   3. Перед заливкой, смешайте и нанесите вакуума (20-200 мм.рт.ст или 2.7-27 кПа) в окончательном подвеска смесь для около 10 минут, чтобы удалить пузырьки воздуха без кипячения воды. Это достигается с помощью перемешивания пластины на 200-300 об/мин с вакуумной банку.
4. Gelcasting
   1. Сразу же влить де эфире подвеска в 3D-печатные формы.
   2. Место формы внутри закрытой стеклянной посуде для предотвращения потери влаги во время процесса сушки.
   3. Место запломбированном контейнере с формы в 60-80 ° C духовке, чтобы инициировать процесс вулканизации.
   4. Разрешить отливок для лечения по крайней мере 8 часов для частей, которые являются несколько сантиметров в длину шкалы или возможно больше для более крупных пресс-форм.
5. Растворение формы для получения зеленого органы
   1. Удаление запломбированном контейнере с формы из духовки и дайте ему остыть до комнатной температуры.
   2. Добавьте достаточно ацетона в контейнер до тех пор, пока полностью submersed плесень. Сумма будет варьироваться в зависимости от размер и объем используемых плесень (обычно ~ 100 мл ацетона для плесени, что 50 см³ в измерении).
      Примечание: Этот процесс может занять до 2-4 дней в зависимости от объема пластика, который должен быть распущен прочь. Минимальная агитации Ванна ацетон или нагревая его слегка до 40 ° C может помочь ускорить этот процесс. Выполнение осторожность при нагревании ацетон Ванна, как это легковоспламеняющиеся химических и могут стать взрывоопасным в сочетании с воздухом в определенных диапазонах композиции.
   3. Извлечь бесплатно зеленое тело из ацетона ванна после ABS-пластика растворяется прочь.
      Примечание: После того, как вылечить РФ, плесень может быть распущен прочь для получения твердого тела зеленой форме как копия негативные внутренние формы геометрии. Это зеленое тело должно быть достаточно сильны, чтобы выжить, нежная и щадящая обработка в последующих шагов постобработки без ломки.
   4. Место зеленый органы в духовке при температуре 80 ° C для обеспечения полного высыхания и удаление всех влаги.
      Примечание: Время сушки варьируется в зависимости от объема зеленый тела. Оставив часть для высыхания на ночь (> 8 часов) является достаточным для размеров зеленый тела меньше, чем 1000 см³. Нет никакого вреда в чрезмерного высыхания.

2. цементация

1. После высыхания, место каждого зеленое тело в 2-дюймовый кварцевая трубка, выстроились с графит фольгой и поместите их в печи с проточной газ [250 стандартный кубический сантиметр воздуха (SCCM) состоящий из 4 wt % H₂(g) и 96 wt % Ar(g) для создания сокращение атмосферу во время Пиролиз лечение].
2. Тепла зеленый органы внутри печи на 5 ° C/мин до 1050 ° C и удерживайте в течение 3 часов.
   Примечание: Гель литой зеленый органы будут иметь 15 wt % РФ относительно B₄C и будет обеспечивать около 7,5 wt % углерода после процесса пиролиза. Этот процесс удаляет большую часть резорцин формальдегидная остатков и сильно загрязняют печь, если используется не ловушка.
3. Убедитесь, что зеленый органы выходят равномерно темне в цвете, указывающих на наличие углерода от лечения пиролиза.

3. спекания

Примечание: После спекания, шероховатость поверхности образцов улучшится незначительно по сравнению с шероховатость поверхности формы, используемые. Это является следствием 57-58 vol % усадки образцов от спекания.

1. Место обугленный частей в графит печи с вакуумной засыпана течет гелия (420 SCCM) для спекания. Примените 280 SCCM на фронт и пирометр Windows и 140 SCCM непосредственно в камеру образец с давлением на входе ~ 170 кПа.
2. Нагревают в печи до 2290 ° C (20 K/мин до 2000 ° C затем 3 K/мин до 2290 ° C) и удерживайте в течение 1 часа, чтобы достичь оптимального уплотнения частей.
   Примечание: Архимед плотность является общей и быстрый метод для измерения плотности частей спеченный карбид бора. Архимед плотность комплекты могут быть добавлены на весы аналитические весы для измерения плотности образцов или вручную определены²². Карбид бора с 7,5 wt % углерода будет иметь теоретической максимальной плотности (ТВД) 2.49 г/см³. Частей, спеченных при 2290 ° C от этой методологии приведет к 2,43 ± 0,01 г/см³ 97.6 ± 0,4% ПРО ТВД.

Результаты

После изложил процедуры (рис. 1) может спеченные детали сложной формы из карбида бора с углерода (C/C₄B) до 97,6 ± 0,4% теоретической плотности Макс твердостью Белогурова 23.0 ± 1,8 гПа⁸. Демонстрируются несколько возможных примеров спеченные B

Обсуждение

Методология негативных аддитивного производства, указанных в протоколе позволяет сложные фасонные из карбида бора части производится на почти полную плотность после спекания при оптимальной температуре 2290 ° C. Первые несколько шагов, связанных с подготовкой и литья являются наиболее...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Boron carbide powder 1250F	Tetrabor Ceramics	Lot 211M419	>96% purity
Boron carbide powder 1500F	Tetrabor Ceramics	Lot 209M102/9	>96% purity
Boron carbide powder 3000F	Tetrabor Ceramics	Lot 111m53/9	>96% purity
Polyethylene Imine (PEI)	Sigma Aldrich	MKBP3417V	Averaged MW ~25,000 by L.S.
Resorcinol	Sigma Aldrich	MKBG6751V	BioXtra, ≥99%
Formaldehyde	Fisher Scientific	F79-1	37% by weight; Stabilized with 10-15% Methanol
Acetic Acid	Sigma Aldrich	SKU 695092	Glacial ≥99.7%
Acetone	Sigma Aldrich	SKU 179124	ACS Reagent Grade ≥99.5%
Water	LLNL In-house (Milli-Q)
Planetary Mixer	Thinky	AR-250	Fits 150mL and 300mL Thinky containers
Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) plastic filament	eSUN		Natural color
Taz 6 (3D printer)	Lulzbot		FDM 3D printer
4%H2/96%Ar gas	Air Gas	UHP	4% Hydrogen, balanced Argon
Helium gas	Air Gas	UHP	Helium
Heating oven	Neytech	Vulcan 9493308	Oven for 80 °C curing
Quartz tube furnace	Applied Test Systems, Inc.	LEA 05-000075	Furnace for 1050 °C carbonization
Graphite furnace	Thermal Technology LLC		Sintering furnace
Scanning Electron Microscope (SEM)	Jeol	JSM-7401F
pH meter	Thermo Scientific	Orion 4 Star	calibrated with buffer standards
Rheometer	TA Instrument	AR2000ex	For measurement of viscosity
X-ray Diffractometer (XRD)	Bruker	AX D8 Advanced
Analytical balance	Mettler Toledo	XS104
Bruker EVA			XRD Analysis Software