Architectured AlN/Al Composites Produced by Material Extrusion and Pressure Infiltration: Processing–Structure–Property Relationships

कल्पना कीजिए कि आप एक रोबोट के लिए एक अत्यंत मजबूत, अत्यंत हल्का कंकाल बनाने की कोशिश कर रहे हैं। आप चाहते हैं कि यह धातु की तरह कठोर हो लेकिन साथ ही गर्मी को भी झेल सके, बिना पिघले या आकार बदले, जैसे कि एक सिरेमिक होता है। पदार्थ विज्ञान (मटेरियल्स साइंस) की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से इन दो बहुत अलग दुनियाओं को मिलाने की कोशिश कर रहे हैं: सिरेमिक (जो कठोर और गर्मी प्रतिरोधी है लेकिन भंगुर है) और धातु (जो मजबूत और लचीली है लेकिन गर्म होने पर नरम हो सकती है)। आमतौर पर, इन दोनों को मिलाना तेल और पानी को मिलाने जैसा है; वे आपस में जुड़ना नहीं चाहते, और परिणाम अक्सर कमजोर बिंदुओं या छेदों से भरा होता है।

हालाँकि, "एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग" (या 3D प्रिंटिंग) नामक एक नए निर्माण के तरीके ने खेल बदल दिया है। सब कुछ एक साथ पिघलाने के बजाय, वैज्ञानिक अब सिरेमिक से एक स्पंज जैसी संरचना वाला कंकाल प्रिंट कर सकते हैं, उसे सूखने और सख्त होने दे सकते हैं, और फिर उसमें तरल धातु डाल सकते हैं। यह एक खोखले सिरेमिक कुकी को बेक करने और फिर उसमें पिघली हुई चॉकलेट भरने जैसा है। सबसे बड़ा सवाल जो शोधकर्ता पूछ रहे थे वह यह था: क्या हम इन सिरेमिक कंकालों को इतनी सटीक सटीकता के साथ प्रिंट कर सकते हैं कि तरल धातु बिना किसी हवा के बुलबुले छोड़े हर कोने और दरार को भर दे, और क्या अंतिम मिश्रण वास्तव में दबाव और गर्मी के तहत एक साथ टिका रहता है?

यह शोध पत्र इस बारे में है कि कैसे एक टीम ने ठीक यही करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक विशेष प्रकार की 3D प्रिंटिंग का उपयोग करके एल्युमीनियम नाइट्राइड (एक अत्यंत कठोर सिरेमिक) से एक छिद्रपूर्ण ढांचा तैयार किया और फिर उसमें तरल एल्युमीनियम को जबरदस्ती भरा। वे एक ऐसा "कंपोजिट" सामग्री बनाना चाहते थे जहाँ सिरेमिक और धातु पूरी तरह से एक-दूसरे में उलझ जाएं, जैसे कि एक 3D पहेली, ताकि कुछ ऐसा बनाया जा सके जो हल्का भी हो और अविश्वसनीय रूप से मजबूत भी।

यहाँ उन्हें क्या पता चला। टीम ने "मटेरियल एक्सट्रूज़न" नामक विधि का उपयोग करके एक छिद्रपूर्ण सिरेमिक आकृति प्रिंट करना शुरू किया। इसे ऐसे समझें जैसे कि आप एक नोजल के माध्यम से गाढ़े, सिरेमिक से भरे टूथपेस्ट को एक ग्रिड पैटर्न बनाने के लिए दबा रहे हैं, जो हॉट ग्लू गन की तरह काम करता है लेकिन सिरेमिक पाउडर के साथ। उन्होंने एक सिलेंडर प्रिंट किया जिसमें एक विशिष्ट "लाइन इन्फिल" पैटर्न था, जिससे 30% स्थान खाली छोड़ दिया गया ताकि एक स्पंज जैसी संरचना बन सके। प्रिंट करने के बाद, उन्हें उस चिपचिपे गोंद (बाइंडर) को हटाना था जिसने प्रिंटिंग के दौरान सिरेमिक पाउडर को एक साथ पकड़ा हुआ था। उन्होंने इसे दो चरणों में किया: पहले गोंद को धोने के लिए एक विलायक (सॉल्वेंट) में भिगोया, और फिर बाकी को जलाने के लिए इसे गर्म किया। अंत में, उन्होंने सिरेमिक स्पंज को 1650 °C के भीषण तापमान पर एक भट्टी में पकाया ताकि कणों को एक ठोस, फिर भी छिद्रपूर्ण कंकाल में जोड़ा जा सके।

एक बार जब सिरेमिक कंकाल तैयार हो गया, तो असली जादू हुआ। उन्होंने पिघले हुए एल्युमीनियम मिश्र धातु (जिसमें चिपकाने में मदद के लिए थोड़ा मैग्नीशियम मिलाया गया था) का एक बर्तन लिया और दबाव का उपयोग करते हुए, तरल धातु को सिरेमिक स्पंज के अंदर जबरदस्ती भरा। यह सूखे स्पंज में पानी डालने जैसा था, लेकिन अत्यधिक गर्म धातु के साथ और पर्याप्त दबाव के साथ ताकि यह हर एक कोने तक पहुँच सके।

परिणाम प्रभावशाली थे। जब उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे स्कैनर के नीचे तैयार उत्पाद को देखा, तो उन्होंने पाया कि एल्युमीनियम ने सफलतापूर्वक सिरेमिक ढांचे को भर दिया था। अंतिम सामग्री लगभग 75.4% सिरेमिक और 24.6% एल्युमीनियम से बनी थी। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने पाया कि पीछे लगभग कोई बड़े हवा के बुलबुले नहीं बचे थे। पूरे पदार्थ में कुल छिद्रों (पोरोसिटी) की मात्रा अविश्वसनीय रूप से कम थी, जो केवल लगभग 0.68% मापी गई। इसका मतलब है कि धातु और सिरेमिक एक घने, परस्पर जुड़े हुए ढांचे में लॉक हो गए थे, बिल्कुल एक पूरी तरह से बेक किए गए स्पंज केक की तरह जिसमें कच्चे आटे की जेबें न हों।

टीम ने यह भी परीक्षण किया कि यह नई सामग्री गर्म होने पर या इसे कुचलने के प्रयास के दौरान कैसा व्यवहार करती है। उन्होंने सामग्री को 500 °C तक गर्म किया और देखा कि यह कितनी फैलती है। उन्होंने पाया कि पहले ही हीटिंग चक्र के बाद, सामग्री स्थिर हो गई और बहुत स्थिर हो गई। इसकी विस्तार दर (गर्म होने पर इसके बढ़ने की दर) 11.6 और 12.9 × 10⁻⁶ K⁻¹ के बीच थी, जो शुद्ध एल्युमीनियम की तुलना में बहुत बेहतर है और उन अनुप्रयोगों के लिए एकदम सही है जहाँ चीजों को गर्म होने पर भी एक ही आकार बनाए रखने की आवश्यकता होती है।

जब उन्होंने सामग्री को दबाकर देखा कि यह कितनी मजबूत है, तो उन्होंने पाया कि यह दबाव झेल सकती है। दिलचस्प बात यह है कि सामग्री ऊपर से दबाए जाने पर (जिस दिशा में इसे बनाया गया था) बगल से दबाए जाने की तुलना में थोड़ी अधिक मजबूत थी। ऊर्ध्वाधर दिशा में ताकत लगभग 567 MPa थी और क्षैतिज दिशा में 511 MPa थी। यह छोटा सा अंतर दिखाता है कि उनके द्वारा परतों को प्रिंट करने के तरीके ने मजबूती को प्रभावित किया, लेकिन कुल मिलाकर, सामग्री अविश्वसनीय रूप से मजबूत थी।

इस कार्य का मुख्य निष्कर्ष यह है कि 3D प्रिंटिंग को प्रेशर-इन्फिल्ट्रेशन के साथ जोड़कर, वैज्ञानिक अब जटिल, कस्टम-आकार के भाग बना सकते हैं जो सिरेमिक और धातु का एक आदर्श मिश्रण है। उन्होंने साबित कर दिया है कि आप एक सिरेमिक कंकाल प्रिंट कर सकते हैं, उसमें धातु भर सकते हैं, और एक ऐसी सघन, मजबूत और उच्च तापमान पर स्थिर सामग्री प्राप्त कर सकते हैं। यह हवाई जहाजों, कारों और इलेक्ट्रॉनिक्स जैसी चीजों के लिए हल्के, अधिक मजबूत भाग बनाने का रास्ता खोलता है जिन्हें बिना खराब हुए गर्मी झेलने की आवश्यकता होती है। शोध पत्र सुझाव देता है कि यह विधि इन उन्नत सामग्रियों को बनाने का एक विश्वसनीय तरीका है, हालांकि यह नोट करता है कि भविष्य के कार्यों को यह देखना होगा कि ये सामग्रियां लंबे समय तक और और भी जटिल आकारों में कैसा प्रदर्शन करती हैं।