نمونه ای از یک کامپوزیت جدید با ماتریس سرامیکی پایه بور که می تواند توسط حرارت به قطعات پیچیده همانند توزیع گر حرارت برای بردهای مدارهای چاپی، شکل دهی شود.
در حالی که شکست ترد به طور معمول به عنوان یک مشخصه اصلی سرامیک ها در نظر گرفته و پذیرفته می شود، تحقیقات در مورد نابجایی ها در سرامیک ها، که در دهه های اخیر شکوفا شده است، نشان داد که سرامیک ها هم می توانند در شرایط مناسبی، دچار تغییر شکل پلاستیک شوند. این آگاهی رهیافت جدیدی را برای شکل‌دهی و کاربرد سرامیک در قطعات گوناگون می گشاید.
به تازگی در مقاله‌ای ، محققان دانشگاه نورث ایسترن (بوستون، ماساچوست) نشان دادند که چگونه ریزساختار یک ماده برای تشکیل سرامیک از طریق روشی که به طورمتداول صرفا مختص پلاستیک‌ها و ورق‌های فلزی بود، به عنوان یک شرط کلیدی مطرح می شود. همانطور که در پایگاه خبری دانشگاه نورث ایسترن بیان شده است، راندال ارب Randall Erb دانشیار مهندسی مکانیک و صنایع و جیسون بایس Jason Bice دانشجوی دکتری به صورت کاملا تصادفی هنگام کار بر روی یک پروژه فراصوت برای یک شریک صنعتی به این کشف رسیدند. آنچه رخ داد این بود که یک نمونه آزمایشی از یک کامپوزیت ماتریس سرامیکی (CMC) پس از انفجار با یک مشعل دمنده، به طور غیرمنتظره ای تغییر شکل داده و در حین بارگذاری از نگهدارنده (fixture) خارج شد. ارب می گوید: «ما به نمونه روی زمین نگاه کردیم و فکر کردیم که یک پدیده شکست رخ داده است. با این حال، بررسی هایمان نشان داد که کامپوزیت ماتریس سرامیکی بدون نقص باقیمانده و فقط شکل متفاوتی از پیش دارد. آزمایش‌های بیشترارب وبایس نشان داد که تغییر شکل ایجاد شده قابل کنترل است. این درک باعث شد که آنها و همکارانشان تشکیل CMC را از طریق ترموفرمینگ کشف کنند. ترموفرمینگ (Thermoforming) اساساً برعکس قالب گیری تزریقی، یکی دیگر از فرآیندهای شناخته شده ی تولید است. قالب‌گیری تزریقی شامل حرارت دادن مواد تا مایع شدن و تزریق آن به قالب در این است، همانجایی که ماده خنک می‌شود و متعاقباً پس از شکل گیری از قالب جدا می شود. در مقابل، ترموفرمینگ شامل حرارت دادن یک ماده ورقه ای شکل تا دمای انعطاف پذیری و سپس قرار دادن آن بر روی قالب با استفاده از روش های فشار یا خلاء است. در حالی که قالب‌گیری تزریقی اغلب انتخاب بهتری برای تولید قطعات کوچک و پیچیده و اجرای دوره‌های تولید بلند مدت است، ترموفرمینگ یا همان شکل‌دهی حرارتی مزیت خود را برای طرح‌های مقیاس بزرگ و دوره‌های تولید کوتاه مدت نشان می دهد. قالب گیری تزریقی یک روش رایج برای تولید قطعات سرامیکی است. با این حال، ماهیت معمولاً شکننده سرامیکها از شکل‌گیری آنها از طریق روش‌های ترموفرمینگ جلوگیری می‌کند، زیرا سرامیکها در اثر تغییرات شدید حرارتی ویا بارگذاری مکانیکی به جای تغییر شکل تمایل به شکست دارند. در مقاله اخیر، محققان دانشگاه نورث ایسترن نشان می دهند که چگونه با مواد و ساختار مناسب، می توان سرامیک را از طریق ترموفرمینگ شکل دهی کرد. CMC آنها از ذرات نیترید بور هگزاگونال (hBN) با آرایش یافتگی بالا در یک ماتریس اکسید بور تشکیل شده است. آنها توضیح می دهند که ساختار اتمی hBN به آن ناهمسانگردی حرارتی بالایی می دهد، یعنی رسانایی حرارتی در برخی جهات بالا و در جهات دیگر پایین است. این ویژگی به کامپوزیت ماتریس سرامیکی، اجازه می دهد تا به سرعت گرما و جریان را به طور موثر در طول فرآیند قالب گیری منتقل کند. برای استفاده کامل از این ویژگی ذاتی hBN، محققان از روش ریخته‌گری تحت ارتعاش استفاده کردند. آنها قبلا این روش را با این هدف که حجم بالایی از ذراتhBN (۶۰ درصد حجمی) را در یک فوتورزین مایع به طور همراستا توزیع کنند توسعه داده بودند. بر این مبنا سوسپانسیونی از ذرات متراکم را در طول فرآیند ریخته‌گری نواری در معرض انرژی‌های ارتعاشی قرار دادند تا hBN را در صفحه سیال‌تر کنند و برش دهند. پس از فرایند ریخته‌گری نواری، محققان نور ماوراء بنفش را برای پلیمریزه کردن فوتورزینی که در میان ذرات hBN قفل شده بود به سوسپانسیون تابانیدند. در نهایت، نمونه‌ها را در محیط اکسیژن‌دار در معرض تف جوشی بدون فشار قرار داده شد تا ماتریسی از اکسید بور رشد و جایگزین ماتریس پلیمری شود و hBN را در خود فرو ببرد. هنگامی که CMC پایه بور تا دمای بالاتر از ۴۵۰ درجه سانتیگراد گرم شد، اکسید بور ذوب شده و ماده مانند یک شبه پلاستیک بینگهام رفتار کرد، شبه پلاستیک بینگهام در تنش های کم مانند یک جسم صلب رفتار می کند اما در تنش زیاد به عنوان یک سیال ویسکوز جریان می یابد. محققان رژیم‌های جریان CMC را در یک نمودار فاز برای تعیین خواص جریان مشخص نموده و دمای جریان بهینه برای شکل‌دهی حرارتی بین ۵۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد را تعیین کردند. با این دانش، آنها CMC مبتنی بر بور را به قالب‌ها و اندازه‌های مختلف ترموفرم کردند و به اندازه‌هایی به کوچکی ۲۰۰ میکرومتر در دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد دست یافتند. تاثیر بالقوه ترموفرمینگ سرامیکها بر حوزه الکترونیک، اصلی ترین زمینه ی کاربردی بود که توسط محققان به عنوان نمونه ارائه شد. به طور کلی، تلفن های همراه و سایر لوازم الکترونیکی با یک لایه آلومینیومی حجیم که برای خارج کردن گرما از دستگاه ضروری است پیکربندی شده اند. Bice اظهار می دارد: "مواد ما می تواند کمتر از یک میلی متر ضخامت داشته باشد و با این سطح مقطع باریک می‌توان آن را طوری قالب‌گیری کرد که شکل آن با سطحی که می‌خواهید خنک شود مطابقت داشته باشد. » علاوه بر این، Erb اضافه می کند که «اگر یک هیت سینک آلومینیومی را در یک قطعه RF رادیوفرکانس قرار دهید، اساساً یک سری آنتن را برای تعامل با سیگنال RF معرفی کرده اید. در عوض، ما می‌توانیم مواد مبتنی بر نیترید بور خود را درون و اطراف یک جزء RF قرار داده به نحوی که برای سیگنال RF نامرئی باشد. آنها این پتانسیل را با ایجاد یک پلتفرم بستر آزمایشی با رایانه Raspberry Pi نشان دادند و عملکرد خنک‌کنندگی یک هیت سینک آلومینیومی را در مقابل یک CMC ترموفرم شده با پرس مناسب مقایسه کردند. هنگامی که هیت سینک ها بر اساس ارتفاع نرمالایز شدند، CMC مزیت خنک کنندگی ۱۰برابری نسبت به آلومینیوم را نشان داد. Erb و Bice اکنون در حال توسعه CMC ترموفرم شده از طریق استارتاپ خود، با عنوان Fourier LLC هستند. آنها جایزه ۵۰۰۰۰ دلاری Spark Fund را از مرکز نوآوری تحقیقات Northeastern دریافت کردند تا از این کار حمایت کنند.
