Para peneliti telah mendemonstrasikan teknik baru yang menggunakan laser untuk membuat keramik yang tahan terhadap suhu ultra-tinggi, dengan penerapan mulai dari teknologi tenaga nuklir hingga pesawat ruang angkasa dan sistem pembuangan jet. Teknik ini dapat digunakan untuk membuat pelapis keramik, ubin, atau struktur tiga-dimensi kompleks, yang memungkinkan peningkatan keserbagunaan saat merekayasa perangkat dan teknologi baru.
"Sintering adalah proses di mana bahan mentah – baik bubuk atau cairan – diubah menjadi bahan keramik," kata Cheryl Xu, salah satu-penulis makalah penelitian ini dan profesor teknik mesin dan ruang angkasa di North Carolina State University. "Untuk pekerjaan ini, kami berfokus pada keramik bersuhu sangat-tinggi yang disebut hafnium karbida (HfC). Secara tradisional, sintering HfC memerlukan penempatan bahan mentah dalam tungku yang dapat mencapai suhu minimal 2.200 derajat Celcius – sebuah proses yang-memakan waktu dan energi.
“Teknik kami lebih cepat, mudah, dan membutuhkan lebih sedikit energi.”
Teknik baru ini bekerja dengan menerapkan laser 120 watt ke permukaan prekursor polimer cair dalam lingkungan inert, seperti ruang vakum atau ruang berisi argon. Laser menyinter cairan, mengubahnya menjadi keramik padat. Ini dapat digunakan dalam dua cara berbeda.
Pertama,prekursor cair dapat diaplikasikan sebagai pelapis pada struktur di bawahnya, seperti komposit karbon yang digunakan dalam teknologi hipersonik seperti rudal dan kendaraan eksplorasi ruang angkasa. Prekursor dapat diaplikasikan pada permukaan struktur dan kemudian disinter dengan laser.
"Karena proses sintering tidak mengharuskan seluruh struktur terkena panas tungku, teknik baru ini menjanjikan karena memungkinkan kami mengaplikasikan lapisan keramik bersuhu sangat tinggi pada material yang mungkin rusak akibat sintering dalam tungku," kata Xu.
Yang keduacara para insinyur dapat memanfaatkan teknik sintering baru melibatkan manufaktur aditif, yang juga dikenal sebagai pencetakan 3D. Secara khusus, metode sintering laser dapat digunakan bersamaan dengan teknik yang mirip dengan stereolitografi.
Dalam teknik ini, laser dipasang di atas meja yang berada di dalam bak cairan prekursor. Untuk membuat struktur-dimensi tiga, peneliti membuat desain digital dari struktur tersebut dan kemudian "memotong" struktur tersebut menjadi beberapa lapisan. Untuk memulai, laser menggambar profil lapisan pertama struktur dalam polimer, mengisi profil seolah-olah mewarnai gambar. Saat laser "mengisi" area ini, energi panas mengubah polimer cair menjadi keramik. Meja kemudian diturunkan sedikit lebih jauh ke dalam wadah polimer, dan pisau menyapu bagian atas untuk meratakan permukaan. Laser kemudian menyinter lapisan kedua struktur, dan proses ini berulang hingga Anda mendapatkan produk jadi yang terbuat dari keramik yang disinter.
“Sebenarnya ini adalah penyederhanaan yang berlebihan untuk mengatakan bahwa laser itu benarhanyamenyinter prekursor cair,” kata Xu. “Lebih akurat jika dikatakan bahwa laser terlebih dahulu mengubah polimer cair menjadi polimer padat dan kemudian mengubah polimer padat menjadi keramik. Namun, semua ini terjadi dengan sangat cepat – pada dasarnya hanya membutuhkan-proses satu langkah."
Sebagai bukti-pengujian-konsep, para peneliti menunjukkan bahwa teknik sintering laser menghasilkan HfC murni fase-kristal dari prekursor polimer cair.
“Ini adalah pertama kalinya kami mengetahui di mana seseorang mampu menciptakan HfC dengan kualitas seperti ini dari prekursor polimer cair,” kata Xu. "Dan keramik bersuhu sangat-tinggi, seperti namanya, berguna untuk berbagai aplikasi yang teknologinya harus tahan terhadap suhu ekstrem, seperti produksi energi nuklir."
Para peneliti juga menunjukkan bahwa sintering laser dapat digunakan untuk membuat lapisan HfC berkualitas tinggi dari komposit karbon-yang diperkuat serat karbon (C/C). Pada dasarnya lapisan keramik terikat pada struktur di bawahnya dan tidak terkelupas.
“Lapisan HfC pada substrat C/C menunjukkan daya rekat yang kuat, cakupan yang seragam, dan potensi untuk digunakan sebagai perlindungan termal dan lapisan tahan oksidasi,” kata Xu. “Ini sangat berguna karena, selain aplikasi hipersonik, struktur karbon/karbon digunakan dalam nozel roket, cakram rem, dan sistem perlindungan termal ruang angkasa seperti kerucut hidung dan tepi depan sayap.”
Teknik sintering laser baru juga jauh lebih efisien dibandingkan sintering konvensional dalam beberapa hal.
"Teknik kami memungkinkan kami membuat{0}}struktur dan pelapis keramik bersuhu sangat tinggi dalam hitungan detik atau menit, sedangkan teknik konvensional membutuhkan waktu berjam-jam atau berhari-hari," kata Xu. “Dan karena sintering laser lebih cepat dan sangat terlokalisasi, maka penggunaan energinya jauh lebih sedikit. Terlebih lagi, pendekatan kami menghasilkan hasil yang lebih tinggi. Secara khusus, sintering laser mengubah setidaknya 50% massa prekursor menjadi keramik. Pendekatan konvensional biasanya hanya mengkonversi 20-40% dari prekursor.
“Terakhir, teknik kami relatif portabel,” kata Xu. "Ya, hal ini harus dilakukan di lingkungan yang lembam, namun mengangkut ruang vakum dan peralatan manufaktur aditif jauh lebih mudah dibandingkan mengangkut tungku-berskala besar yang bertenaga.
“Kami sangat gembira dengan kemajuan dalam bidang keramik ini dan terbuka untuk bekerja sama dengan mitra pemerintah dan swasta untuk melakukan transisi teknologi ini agar dapat digunakan dalam aplikasi praktis,” kata Xu.
Makalah, "Sintesis Hafnium Karbida (HfC) melalui Pirolisis Reaksi Laser Selektif Satu-Langkah dari Prekursor Polimer Cair," diterbitkan diJurnal Persatuan Keramik Amerika. Rekan-penulis makalah ini adalah Tiegang Fang, seorang profesor teknik mesin dan ruang angkasa di NC State. Rekan-penulis pertama makalah ini adalah Shalini Rajpoot, peneliti pascadoktoral di NC State, dan Kaushik Nonavinakere Vinod, Ph.D. mahasiswa di NC State.
Penelitian ini dilakukan dengan dukungan dari Center for Additive Manufacture of Advanced Ceramics, yang berbasis di University of North Carolina di Charlotte.
