ハイにする

Oct 25, 2023

アイダホ州アイダホフォールズ、アイダホ国立研究所

原子炉、宇宙船、集光型太陽光発電所、水素電池など、今日の高性能技術の多くには先進的な材料が必要です。 先進的とは、極端な条件に耐えたり、厳しい仕様を満たすことができる金属とセラミックで作られていることを意味します。

以前は、これらの先進的な材料は、一般に、ホットプレスと呼ばれるプロセスで、ダイに注入され、高圧が加えられ、ゆっくりと加熱された粉末から製造されていました。 しかし、ホットプレスでは廃熱が発生し、コスト高の原因となります。 これらのコストにより、自動車などの日用品を製造する産業における先端材料の広範な使用が制限されてきました。

最近では、エンジニアはスパーク プラズマ焼結 (SPS) と呼ばれるコスト削減プロセスを開発しました。 SPS は熱の代わりに、金型、場合によっては材料自体に電気を送り、粉末金属、セラミック、または両方の混合物の分子を融合させます。

現在、アイダホ国立研究所は、業界の効率的な SPS 製造プロセスの設計を支援する世界クラスの機能を開発しました。 この研究室に新しく追加されたこの種の機械としては世界最大級であり、工業的に適切な規模で新素材を製造できるようになりました。

INL のシニア SPS 材料科学者/エンジニアであるトロイ ホランド氏は、「SPS プロセスははるかに高速で、はるかにエネルギー効率が高く、完全焼結部品において元の優れた粉末特性を維持する能力が高くなります」と述べています。

これらの部品にはしばしば厳しい性能要件が求められるため、元の粉末材料の特性を維持することが重要です。 「長時間加熱すると、元のパウダーの持つ利点が失われることがよくあります」とホランド氏は言う。

INL は、ベンチ規模での小規模な実験のサポートから産業規模の大型、高スループット システムまでをカバーする 4 台のカスタム SPS マシンを設計および構築しました。

その名前が示すように、Nano-SPS は金属またはセラミックの粉末を融合してナノからマイクロメートルスケールの部品を製造できる小型機械です。 Nano-SPS は、それ自体、商用部品を構築するために作られたものではありませんが、粉末材料がどのように流れ、相互作用するかをナノメートルの解像度で観察することで、研究者が部品のナノ構造と微細構造を予測し、制御するのに役立つ実験機械です。

Nano-SPS セットアップを使用した X 線および中性子回折実験により、SPS プロセス中の化学的および微細構造の進化に関するリアルタイムのデータが得られます。

原子結合から局所ナノ構造、微細構造に至るまで、SPS 中に粉末分子がどのように相互作用するかを理解することは重要です。なぜなら、これらのスケールでの変動が性能に大きな違いをもたらす可能性があるからです。

「私たちの目標は、部品の局所的な微細構造を制御できるようにプロセスを十分に理解し、制御することです」とホランド氏は述べました。「これにより、ばらつきを最小限に抑えたり、可能な限り再現可能な方法で部品内の局所的な意図的なばらつきを利用したりすることができます」事前に認定された部品を製造するためです。」

次の機械である Micro-SPS は、およそマイクロメートルからセンチメートルスケールの部品を製造でき、微細構造の進化を理解するのにも役立ちます。 Micro-SPS は、バルク材料の焼結速度データを決定するために使用されます。 これは、バルク SPS 処理のリアルタイム X 線および中性子線撮影をサポートするツールにウィンドウを提供することによって実現されます。

SPS は、高度な核燃料製造のための新興技術でもあります。 INL の材料・燃料複合施設にある放射線放電プラズマ焼結システム (RSPS) は、放射線作業用グローブボックス内に統合された、目的を持って設計されたシステムです。

DCS-800 は、最大約 1 平方メートルのサイズの部品を製造できる大型の SPS マシンです。 INL のエネルギー システム研究所にある DCS-800 は、高出力、高温、高圧で動作します。 これにより、ベンチスケールで発見された材料を産業的に適切なスケールで実証できるようになります。

最後に、ローラー SPS を使用すると、INL の専門家が粉末から材料の連続シートをスパークさせてプラズマ焼結できるようになります。 つまり、エネルギー使用量と製造時間をさらに削減しながら、無制限のサイズの部品を製造できるということです。

この記事は、INL Communications & Outreach の Cory Hatch によって書かれました。 詳細については、Ryan Bills までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。 表示するには JavaScript を有効にする必要があります。 208-526-1896。

この記事は、Tech Briefs Magazine の 2023 年 6 月号に初めて掲載されました。

アーカイブのその他の記事はこちらからお読みください。

購読する