Ang mga Seramiko na Ginawa ng Laser Maaaring Baguhin ang Aerospace

Bakit Mahalaga ang mga Seramiko sa Aerospace

Aerospace materials often use rare metals, for example, titanium, rhenium, iridium, or tungsten (follow the links for a dedicated investment report about each of these rare technological metals). This gives the planes and spaceship frames, turbines, reactor exhausts, and other critical components the resistance to heat and mechanical stress required by the extreme conditions required for flying.

Isa pang kategorya ng materyal na ginagamit ay ang mga seramiko. Ang mga materyal na ito ay iba sa metal dahil ang mga paunang sangkap ay kadalasang karaniwang mineral. Gayunpaman, ang tamang kombinasyon ng mga mineral na ginawa sa tamang kondisyon ay maaaring magkaroon ng pambihirang katangian. Halimbawa, karamihan sa mga tile na kayang harapin ang napakainit na pagpasok muli sa atmospera ng mga sasakyang pangkalawakan ay gawa sa seramiko.

Pinagmulan: NASA

Ang mga materyal na seramiko ay hindi natutunaw (tulad ng metal) kundi sinter, isang proseso na mas kahawig ng paggawa ng salamin. Tanging ilang mga compound na natunaw/vitrified ang nagdudugtong ng mga hindi natunaw na particle.

Pinagmulan: Hengko

Dagdag pa, ang sintering ay nangangailangan ng paglalagay ng mga hilaw na materyales sa isang pugon na maaaring maabot ang temperatura na hindi bababa sa 2,200 °C (4000°F). Ito ay isang napaka-enerhiya at oras na matagal na proseso.

Apat na mananaliksik mula sa North Carolina State University ay maaaring nakadiskubre ng isang alternatibong paraan para sa paggawa ng mataas na pagganap na seramiko para sa aerospace, gamit ang mga laser.

They published their findings in the Journal of the American Ceramics Society¹, under the title “Synthesis of hafnium carbide (HfC) via one-step selective laser reaction pyrolysis from liquid polymer precursor”.

Ang Papel ng UHTCs sa Aerospace Engineering

Bakit Nabibigo ang Tradisyonal na Paggawa ng Seramiko

Ang ultrahigh-temperature ceramics (UHTCs) ay isang klase ng mga materyales na dinisenyo upang tiisin ang napakamatinding kapaligiran, dahil sa kanilang pambihirang katatagan sa init, mataas na punto ng pagkatunaw (>3000°C), mataas na lakas, at resistensya sa oksidasyon at thermal shock.

Sa mga materyales na ito, ang hafnium carbide (HfC) ay namumukod-tangi bilang isa sa pinaka-promising na kandidato, na may punto ng pagkatunaw na >3900°C, pati na rin matibay na tigas, elastisidad, at thermal conductivity.

Sa kasamaang palad, ang HfC ay hanggang ngayon ay mahirap gawin at napakamahal bilang resulta. Ang malakihang produksyon ng HfC na may pare-parehong kalidad ay partikular na naging problema, dahil sa malalaking hindi pagkakapare-pareho sa mikroestruktura na nagdudulot ng mga depekto sa estruktura.

Isinasaalang-alang ang mga bagong teknik, partikular ang furnace-based polymer-derived ceramic (PDC), ngunit nagreresulta lamang ito sa mababang liquid-to-ceramic yield na 11% hanggang 21%.

Bukod sa mga isyung ito sa produksyon, ang mga pamamaraang ito ay hindi compatible sa additive manufacturing (3D printing). Kaya’t compatible lamang ito sa mga simpleng hugis na maaaring gawin gamit ang mga hulma, tulad ng bulk, cylindrical, o cubic na geometry.

Paano Binabago ng Laser Sintering ang Produksyon ng Seramiko

Maraming mga pamamaraan ng 3D printing ang gumagamit na ng laser upang lumikha ng kumplikadong hugis na kung hindi ay imposibleng gawin gamit ang tradisyonal na molding at forging techniques. Ito ay radikal na binabago kung paano ginagawa ang mga turbina ng jet engine at rocket engine.

Isinasaalang-alang ng mga mananaliksik ang pamamaraan gamit ang selective laser reaction pyrolysis (SLRP) method.

Pinagmulan: Journal of the American Ceramics Society

Sa halip na maraming hakbang ng furnace methods para sa paggawa ng seramiko, ito ay naglalagay sa isang hakbang ng polymer conversion patungo sa seramiko at pyrolysis.

Ang liquid precursor ay maaaring ilapat sa ibabaw ng istruktura at pagkatapos ay sinter gamit ang laser.

Ang laser na ginamit sa demonstrasyon ay medyo malakas para sa isang laser (isang 120W (CO2) gas laser), ngunit napakababa rin ng enerhiya kumpara sa tradisyonal na mga pugon na ginagamit para sa produksyon ng hafnium carbide.

Pagsusuri ng mga Additive sa Seramiko para sa Laser Processing

Dalawang additive ang sinubukan din upang makita kung maaaring maging mas epektibo pa ang proseso: dicumyl peroxide (DCP), isang thermal activator; at benzophenone (BZP), isang photo-activator.

Ang DCP ay may bahagyang epekto lamang, samantalang ang BZP ay makabuluhang nagbabawas ng pagbalik ng enerhiya, pinapabuti ang pagsipsip ng infrared energy ng precursor.

Pinagmulan: Journal of the American Ceramics Society

Ipinakita ng mga larawan mula sa electron microscope ang pantay-pantay na distribusyon ng spherical at faceted na mga butil ng HfC sa lahat ng kondisyon ng temperatura (1700°C, 1800°C, at 2000°C). Ang mas malalaking cluster ng butil sa mas mataas na temperatura ay nagpapahiwatig ng mas masikip na seramiko.

Pinagmulan: Journal of the American Ceramics Society

“Ito ang unang pagkakataon na alam namin na may nakagawa ng HfC na may ganitong kalidad mula sa liquid polymer precursor”

Cheryl Xu  – Propesor ng mechanical at aerospace engineering sa North Carolina State University.

Laser Sintering vs. Furnace: Alin ang Mas Mabuti?

Bukod sa pagtitipid ng enerhiya, ang laser sintering na binuo dito ay mas epektibo. Ang furnace-based sintering ay nakakamit lamang ng ∼20%–40% na crosslinked liquid-to-ceramic yield sa pinakamabuti, samantalang ang laser-based sintering ay nakakamit ng ∼50%–55% na yield.

Mas mabilis din ito, dahil ang mga pugon ay nangangailangan ng oras na ilang oras o kahit ilang araw, samantalang ang laser ay ginagawa ang gawain sa loob ng ilang segundo o minuto.

Ang pinakamataas na temperatura ng laser ay mas mataas din, na nagbibigay-daan sa mas kumplikadong geometry, mas magagandang coating, manipis na film, at paggawa sa iisang hakbang lamang.

“Sa huli, ang aming teknik ay medyo portable. Oo, kailangan itong gawin sa isang inert na kapaligiran, ngunit ang pagdadala ng vacuum chamber at kagamitan sa additive manufacturing ay mas madali kaysa sa pagdadala ng isang malakas, malakihang pugon.”

Cheryl Xu  – Propesor ng mechanical at aerospace engineering sa North Carolina State University.

Umuusbong na mga Aplikasyon para sa Laser-Sintered na Seramiko

Sa ngayon, ang HfC ay maaari lamang ilapat sa mga substrate na kayang tiisin ang napakainit na temperatura ng pugon sa mahabang panahon.

Ang laser process na imbento dito ay mas kaunti ang pinsala, na lumilikha ng mas malawak na saklaw ng posibleng mga aplikasyon.

“Dahil ang proseso ng sintering ay hindi nangangailangan ng paglalantad ng buong istruktura sa init ng pugon, ang bagong teknik ay may pangakong magbigay-daan sa atin na mag-apply ng ultra-high temperature ceramic coatings sa mga materyales na maaaring masira sa sintering sa pugon.”

Cheryl Xu  – Propesor ng mechanical at aerospace engineering sa North Carolina State University.

Halimbawa, maaaring gamitin ang laser sintering upang lumikha ng mataas na kalidad na HfC coatings ng carbon-fiber-reinforced carbon composites (C/C):

“Ang HfC coatings sa C/C substrates ay partikular na kapaki-pakinabang dahil, bukod sa mga hypersonic na aplikasyon, ang mga carbon/carbon na istruktura ay ginagamit sa mga rocket nozzle, brake disc, at mga aerospace thermal protection system tulad ng nose cone at wing leading edge.”

Cheryl Xu  – Propesor ng mechanical at aerospace engineering sa North Carolina State University.

Ang mas maliit na sukat at portability ng sistema ay maaari ring magkaroon ng pangmatagalang epekto sa potensyal ng teknolohiya. Halimbawa, anumang in-situ na produksyon ng mga materyales para sa aerospace sa mga base sa Lunar o Martian ay mangangailangan ng medyo maliit at magaan na kagamitan.

Pamumuhunan sa mga Teknolohiyang Laser

II-VI Marlow / Coherent: Isang Pinuno sa Teknolohiyang Laser

Ang Coherent ay isang malaking industrial conglomerate na may higit sa 26,000 na empleyado at isang pinuno sa teknolohiyang laser. Ito ay resulta ng pagsasanib ng advanced material na II-VI Marlow at ng gumagawa ng laser na Coherent.

Ang kumpanya ay dalubhasa sa mga advanced na materyales na ginagamit sa mga laser, optics, at photonics, tulad ng indium phosphide, epitaxial wafers, at gallium arsenide.

Lumago ito nang malaki dahil sa maraming acquisitions sa nakaraang dekada, mula $600M na kita noong 2013 hanggang $4.7B noong 2024.

Ang kumpanya ay kumukuha ng 29% ng kita nito direkta mula sa mga laser, habang ang natitira ay nauugnay sa mga kagamitang tulad ng optical fiber, at electronics. Ang kategorya ng instrumentation ay karamihan ay kinabibilangan ng life sciences at medical applications.

Pinagmulan: Coherent

Ang presensya ng kumpanya sa mga advanced na materyales tulad ng thermophotovoltaics (na tinalakay namin sa isang nakaraang artikulo), silicon carbide, mga laser, at electronics ay tumutulong dito na makinabang mula sa mga estruktural na trend tulad ng paglago ng precision manufacturing, additive manufacturing (3D printing), electrification, at renewable energies.

Ang kumpanya ay kamakailan lamang ay hinati ang kanyang silicon carbide business sa isang bagong entidad, na 75% pag-aari ng Coherent, habang ang natitira ay pantay na pag-aari ng mga kasosyo nitong Mitsubishi Electric (nagdadala ng silicon carbide power IP) at Denso (nagdadala ng kanilang aktibidad bilang automotive supplier sa electrification at power semiconductors).

Ito ay dahil ang silicon carbide ay unti-unting nagiging sarili nitong teknolohiya, na kadalasang ginagamit sa high-power applications tulad ng EVs, baterya, at renewable energy.

Ang Coherent ay isang lider sa LIDAR at 3D-digital sensing, kabilang ang para sa self-driving applications, biotech Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, at mga laser para sa semiconductor manufacturing. Inaasahan nitong ang pangunahing mga merkado nito ay lalaki ng 8-20%.

Pinagmulan: Coherent

Ang iba pang posibleng bagong aplikasyon ng mga laser tulad ng direct energy weapons, photonic computing, nuclear fusion, at spacetech ay maaaring pantay-pantay na makatulong sa pagpapanatili ng pangmatagalang paglago ng kumpanya.

Sa pangkalahatan, ang Coherent ay pinakamalapit na maituturing na isang “pure play” na publicly traded na kumpanya ng laser para sa mga mamumuhunan na interesado sa sektor, na may malakas na vertical integration at higit sa 3,100 na patente na nagpoprotekta sa kanilang mga inobasyon.

Pinakabagong Balita at Pag-unlad ng Stock ng Coherent (COHR)

Pag-aaral na Binanggit

^{1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. Synthesis of hafnium carbide (HfC) via one-step selective laser reaction pyrolysis from liquid polymer precursor. Journal of the American Ceramics Society.14 Mayo 2025https://doi.org/10.1111/jace.20650}