Взаимосвязанное проектирование, программируемое лазерное производство и испытания архитектурной керамики

Oct 07, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 17330 (2022) Цитировать эту статью

1144 доступа

1 Цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Прочные и ударопрочные керамические системы предлагают широкий спектр замечательных возможностей, помимо тех, которые предлагает традиционная хрупкая керамика. Однако, несмотря на их обещания, наличие традиционных технологий производства для изготовления таких передовых керамических структур с высокой степенью контроля и масштабируемости представляет собой серьезное производственное препятствие. В этом исследовании точная и программируемая лазерная производственная система использовалась для изготовления топологически взаимосвязанной керамики. Эта производственная стратегия предлагает возможные механизмы для точной архитектуры материалов и количественного контроля процесса, особенно если учитывать масштабируемость. Оптимизированный метод удаления материала, приближающийся к формованию, близкому к сетчатому, был использован для изготовления топологически взаимосвязанных керамических систем (несущих сборок строительных блоков, взаимодействующих посредством контакта и трения) с различной архитектурой (т. е. углами сцепления и размерами строительных блоков), подвергающихся низким нагрузкам. Условия скоростного воздействия. Эти воздействия были оценены с помощью корреляции трехмерных цифровых изображений. Оптимальная сцепленная керамика продемонстрировала более высокую деформацию (до 310%), чем другая сцепленная керамика, выгодная для гибкой защиты. Их производительность настраивалась путем контроля угла блокировки и размера блоков, регулировки фрикционного скольжения и минимизации повреждения строительных блоков. Кроме того, разработанная технология субтрактивного производства позволяет изготавливать прочные, ударопрочные, устойчивые к повреждениям керамические системы с превосходной универсальностью и масштабируемостью.

Прочные и ударопрочные керамические системы представляют собой продолжающуюся революцию в материалах и конструкциях для аэрокосмической, морской, автомобильной, строительной и броневой промышленности1. Их выдающиеся свойства (например, низкая плотность, высокая прочность на сжатие, высокая термическая стабильность, высокая стойкость к окислению и коррозии), а также повышенная ударная вязкость и стойкость к множественным ударам предлагают уникальные преимущества по сравнению с обычными жесткими керамическими системами. Среди многочисленных возможностей прочная керамика оказалась идеальным кандидатом для экстремальных термомеханических условий, таких как системы тепловой защиты газотурбинных двигателей, передняя кромка или компоненты соплового двигателя2. Архитектурная керамика, в частности, привлекла значительное внимание благодаря своим высоким механическим характеристикам (т.е. жесткости, прочности, стойкости к множественным ударам и повреждениям) в передовых инженерных приложениях3. Присущая им жесткая и хрупкая природа на уровне отдельных компонентов может быть успешно преобразована в повышенную прочность на общем структурном уровне посредством биоинспирации, как это видно в биологических материалах, таких как кость4, перламутр5, зубная эмаль6 или спикулы губки7. Среди стратегий биоинспирации, которые предлагают повышение прочности, «концепция топологической блокировки» состоит из твердых и жестких строительных блоков, связанных между собой слабыми границами раздела8,9,10. Задача заключается в точном и промышленно масштабируемом производстве таких механически усовершенствованных структур8,11,12,13.

Как передовые технологии субтрактивного, так и аддитивного производства стали многообещающими решениями для изготовления архитектурной керамики со сложным архитектурным дизайном14,15. Рассматриваемая технология субтрактивного производства включает использование передовых лазерных систем для разработки трехмерных (3D) архитектур из хрупких материалов (например, стекла), что приводит к повышению устойчивости к квазистатическим и низкоскоростным ударным нагрузкам16. Однако использование субтрактивных производственных технологий для обработки хрупких материалов имеет существенные недостатки. Примеры этих инженерных препятствий включают сложность оптимизации параметров процесса для различных лазерных установок, состава и толщины материалов, а также геометрических/топологических целей. Было проведено значительное исследование параметрического влияния различных параметров волоконного лазера, включая влияние плотности энергии на скорость абляции17,18, шага растра на шероховатость поверхности19, а также скорости перемещения и положения фокуса на качество резки20. Результаты этого исследования привели к минимизации ряби и устранению трещин во время абляционной резки. Хотя было проведено множество исследований по проектированию и сборке (например, механической обработке, литью или аддитивному производству) топологически взаимосвязанных стекол или керамики10,21, меньше внимания уделялось разработке точных, почти готовых форм и промышленно масштабируемых технологий субтрактивного производства для изготовление такой архитектурной керамики.