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

Stel je voor dat je probeert een supersterk, superlichtgewicht skelet voor een robot te bouwen. Je wilt dat het taai is als metaal, maar ook bestand is tegen hitte zonder te smelten of te vervormen, zoals een keramiek. In de wereld van de materiaalkunde proberen wetenschappers al lang deze twee zeer verschillende werelden te mengen: keramiek (dat hard en hittebestendig is maar bros is) en metalen (die sterk en flexibel zijn maar zacht kunnen worden als ze warm worden). Meestal is het mengen van deze twee als het proberen te mengen van olie en water; ze willen niet aan elkaar plakken, en het resultaat is vaak vol zwakke plekken of gaten.

Een nieuwe manier van dingen bouwen genaamd "additive manufacturing" (of 3D-printen) heeft het spel veranderd. In plaats van alles tegelijk te smelten, kunnen wetenschappers nu een sponsachtig skelet van keramiek printen, het laten drogen en uitharden, en vervolgens vloeibaar metaal in de kleine gaatjes gieten. Het is alsof je een holle keramische koek bakt en die vervolgens vult met gesmolten chocolade. De grote vraag waar onderzoekers zich een vraag aan hebben gesteld is: Kunnen we deze keramische skeletten met zulke perfecte precisie printen dat het vloeibare metaal elke nis en elk hoekje vult zonder luchtbellen achter te laten, en houdt het uiteindelijke mengsel daadwerkelijk stand onder druk en hitte?

Dit artikel vertelt het verhaal van een team dat besloot precies dat te proberen. Ze gebruikten een speciaal type 3D-printen om een poreus raamwerk te bouwen van aluminiumnitride (een superhard keramiek) en goten vervolgens vloeibaar aluminium in. Ze wilden zien of ze een "composietmateriaal" konden creëren waarbij het keramiek en het metaal perfect in elkaar grijpen, zoals een 3D-puzzel, om iets te maken dat zowel licht als ongelooflijk sterk is.

Dit is wat ze vonden. Het team begon met het printen van een poreus keramisch object met behulp van een methode genaamd "Material Extrusion". Denk aan dit als het uitpersen van dikke, met keramiek gevulde tandpasta door een spuitmond om een roosterpatroon te tekenen, vergelijkbaar met hoe een lijmpistool werkt, maar dan met keramisch poeder. Ze printen een cilinder met een specif brief "line infill"-patroon, waarbij 30% van de ruimte leeg bleef om een sponsachtige structuur te creëren. Na het printen moesten ze de kleverige lijm (binder) verwijderen die het keramische poeder tijdens het printen bij elkaar hield. Dit deden ze in twee stappen: eerst door het te weken in een oplosmiddel om wat lijm weg te wassen, en daarna door het te verhitten om de rest weg te branden. Ten slotte bakten ze de keramische spons in een oven op een verzengende 1650 °C om de deeltjes samen te smelten tot een solide, maar nog steeds poreus, skelet.

Toen het keramische skelet klaar was, gebeurde het echte wonder. Ze namen een pot met gesmolten aluminiumlegering (gemengd met een klein beetje magnesium om het te helpen plakken) en dwongen het vloeibare metaal, met behulp van druk, in de keramische spons. Het was alsoals het persen van water in een droge spons, maar dan met superheet metaal en genoeg druk om ervoor te zorgen dat het elke hoek bereikte.

De resultaten waren indrukwekkend. Wanneer het team het eindproduct onder krachtige microscopen en röntgenscanners bekeek, zagen ze dat het aluminium het keramische raamwerk succesvol had gevuld. Het uiteindelijke materiaal bestond uit ongeveer 75,4% keramiek en 24,6% aluminium. Cruciaal was dat ze bijna geen grote luchtbellen achtergelaten hadden. De totale hoeveelheid kleine gaatjes (porositeit) in het hele materiaal was ongelooflijk laag en bedroeg slechts ongeveer 0,68%. Dit betekent dat het metaal en het keramiek samen een dicht, interpenetrerend structuur vormden, net als een perfect gebakken sponscake zonder zakken met rauw deeg.

Het team testte ook hoe dit nieuwe materiaal zich gedroeg wanneer het heet werd of wanneer ze probeerden het te verpletteren. Ze verwarmden het materiaal tot 500 °C en observeerden hoeveel het uitzette. Ze ontdekten dat het materiaal na de eerste verwarmingscyclus tot rust kwam en zeer stabiel werd. De uitzettingssnelheid (hoeveel het groeit als het warm wordt) lag tussen 11,6 en 12,9 × 10⁻⁶ K⁻¹, wat veel beter is dan puur aluminium en perfect is voor toepassingen waarbij dingen dezelfde grootte moeten behouden, zelfs als ze warm worden.

Wanneer ze het materiaal samenpersten om te zien hoe sterk het was, ontdekten ze dat het veel druk kon weerstaan. Interessant genoeg was het materiaal iets sterker wanneer het van bovenaf werd samengedrukt (de richting waarin het gebouwd is) vergeleken met wanneer het van de zijkant werd samengedrukt. De sterkte was ongeveer 567 MPa in de verticale richting en 511 MPa in de horizontale richting. Dit kleine verschil laat zien dat de manier waarop ze de lagen hebben geprint invloed had op de sterkte, maar over het algens was het materiaal ongelooflijk taai.

De belangrijkste les van dit werk is dat wetenschappers door 3D-printen te combineren met druk-infiltratie nu complexe, op maat gemaakte onderdelen kunnen bouwen die een perfecte mix zijn van keramiek en metaal. Ze bewezen dat je een keramisch skelet kunt printen, met metaal kunt vullen, en eindigt met een materiaal dat dicht, sterk en stabiel is bij hoge temperaturen. Dit opent de deur naar het maken van lichtere, sterkere onderdelen voor zaken zoals vliegtuigen, auto's en elektronica die hitte moeten kunnen weerstaan zonder uit elkaar te vallen. Het artikel suggereert dat deze methode een betrouwbare manier is om deze geavanceerde materialen te creëren, hoewel het opmerkt dat toekomstig werk zal moeten onderzoeken hoe deze materialen gedurende een lange tijd en in nog complexere vormen presteren.