Les chercheurs ont démontré une nouvelle technique qui utilise des lasers pour créer des céramiques capables de résister à des températures ultra-élevées, avec des applications allant des technologies de l'énergie nucléaire aux systèmes d'échappement des engins spatiaux et des avions à réaction. La technique peut être utilisée pour créer des revêtements céramiques, des carreaux ou des structures tridimensionnelles complexes-, ce qui permet une polyvalence accrue lors de l'ingénierie de nouveaux appareils et technologies.
"Le frittage est le processus par lequel les matières premières (poudres ou liquides) sont transformées en un matériau céramique", explique Cheryl Xu, co-auteure correspondante d'un article sur cette recherche et professeur de génie mécanique et aérospatial à l'université d'État de Caroline du Nord. "Pour ce travail, nous nous sommes concentrés sur une céramique à ultra-haute température appelée carbure de hafnium (HfC). Traditionnellement, le frittage du HfC nécessite de placer les matières premières dans un four pouvant atteindre des températures d'au moins 2 200 degrés Celsius – un processus qui prend du temps-et est gourmand en énergie.
"Notre technique est plus rapide, plus simple et nécessite moins d'énergie."
La nouvelle technique fonctionne en appliquant un laser de 120 watts à la surface d'un précurseur de polymère liquide dans un environnement inerte, tel qu'une chambre à vide ou une chambre remplie d'argon. Le laser fritte le liquide et le transforme en une céramique solide. Cela peut être utilisé de deux manières différentes.
D'abord,le précurseur liquide peut être appliqué sous forme de revêtement sur une structure sous-jacente, telle que les composites de carbone utilisés dans les technologies hypersoniques telles que les missiles et les véhicules d'exploration spatiale. Le précurseur peut être appliqué sur la surface de la structure puis fritté au laser.
"Étant donné que le processus de frittage ne nécessite pas d'exposer la structure entière à la chaleur du four, la nouvelle technique est prometteuse car elle nous permettra d'appliquer des revêtements céramiques à ultra-haute température sur des matériaux susceptibles d'être endommagés par le frittage dans un four", explique Xu.
La deuxièmeLa façon dont les ingénieurs peuvent utiliser la nouvelle technique de frittage passe par la fabrication additive, également connue sous le nom d’impression 3D. Plus précisément, la méthode de frittage laser peut être utilisée conjointement avec une technique similaire à la stéréolithographie.
Dans cette technique, un laser est monté sur une table qui repose dans un bain de précurseur liquide. Pour créer une structure tridimensionnelle-, les chercheurs créent une conception numérique de la structure, puis « découpent » cette structure en couches. Pour commencer, le laser dessine le profil de la première couche de la structure dans le polymère, en remplissant le profil comme pour colorier une image. À mesure que le laser « remplit » cette zone, l’énergie thermique convertit le polymère liquide en céramique. La table s'abaisse ensuite un peu plus dans le bain de polymère et une lame balaie le dessus pour uniformiser la surface. Le laser fritte ensuite la deuxième couche de la structure, et ce processus se répète jusqu'à obtenir un produit fini en céramique frittée.
"C'est en fait un peu simpliste de dire que le laser estseulementfritter le précurseur liquide », explique Xu. « Il est plus précis de dire que le laser convertit d'abord le polymère liquide en polymère solide, puis convertit le polymère solide en céramique. Cependant, tout cela se produit très rapidement : il s'agit essentiellement d'un processus en une seule-étape."
Lors de tests de validation de principe-de-concept, les chercheurs ont démontré que la technique de frittage laser produisait du HfC cristallin en phase-pure à partir d'un précurseur de polymère liquide.
"C'est la première fois que nous savons où quelqu'un a pu créer du HfC de cette qualité à partir d'un précurseur de polymère liquide", explique Xu. "Et les céramiques à ultra-haute température, comme leur nom l'indique, sont utiles pour un large éventail d'applications où les technologies doivent résister à des températures extrêmes, comme la production d'énergie nucléaire."
Les chercheurs ont également démontré que le frittage laser pouvait être utilisé pour créer des revêtements HfC de haute qualité à partir de composites de carbone renforcés de fibres de carbone (C/C). Fondamentalement, le revêtement céramique s’est collé à la structure sous-jacente et ne s’est pas décollé.
"Les revêtements HfC sur les substrats C/C ont démontré une forte adhérence, une couverture uniforme et un potentiel d'utilisation comme protection thermique et couche résistante à l'oxydation", explique Xu. "Cela est particulièrement utile car, outre les applications hypersoniques, les structures carbone/carbone sont utilisées dans les tuyères des fusées, les disques de frein et les systèmes de protection thermique aérospatiaux tels que les cônes avant et les bords d'attaque des ailes."
La nouvelle technique de frittage laser est également nettement plus efficace que le frittage conventionnel à plusieurs égards.
"Notre technique nous permet de créer des structures et des revêtements céramiques à ultra-température en quelques secondes ou minutes, alors que les techniques conventionnelles prennent des heures ou des jours", explique Xu. "Et comme le frittage laser est plus rapide et hautement localisé, il utilise beaucoup moins d'énergie. De plus, notre approche produit un rendement plus élevé. Plus précisément, le frittage laser convertit au moins 50 % de la masse du précurseur en céramique. Les approches conventionnelles ne convertissent généralement que 20 à 40 % du précurseur.
"Enfin, notre technique est relativement portable", explique Xu. "Oui, cela doit être fait dans un environnement inerte, mais transporter une chambre à vide et un équipement de fabrication additive est beaucoup plus facile que de transporter un four puissant-à grande échelle.
"Nous sommes enthousiasmés par cette avancée dans le domaine de la céramique et sommes disposés à travailler avec des partenaires publics et privés pour faire évoluer cette technologie vers des applications pratiques", a déclaré Xu.
L'article intitulé "Synthesis of Hafnium Carbide (HfC) via One-Step Selective Laser Reaction Pyrolysis from Liquid Polymer Precursor" est publié dans leJournal de la Société américaine de céramique. Le co-auteur correspondant de l'article est Tiegang Fang, professeur de génie mécanique et aérospatial à NC State. Les co-premiers auteurs de l'article sont Shalini Rajpoot, chercheuse postdoctorale à NC State, et Kaushik Nonavinakere Vinod, titulaire d'un doctorat. étudiant à NC State.
La recherche a été réalisée avec le soutien du Center for Additive Manufacture of Advanced Ceramics, basé à l'Université de Caroline du Nord à Charlotte.
