激光技术实现超高温陶瓷制造突破，应用于航空航天及国防领域

「烧结是将粉末或液体等原材料转化为陶瓷材料的过程，」本研究论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系教授 Cheryl Xu 表示。「我们这项工作的研究对象是一种名为碳化铪（HfC）的超高温陶瓷。传统烧结碳化铪需要将原材料置于温度至少达到 2,200 摄氏度的炉中——这个过程耗时且耗能巨大。

「我们的技术更快、更简便且能耗更低。」

这项新技术通过在惰性环境（如真空室或充氩室）中，将 120 瓦的激光作用于液态聚合物前体表面来实现。激光烧结液体，使其转化为固体陶瓷。该技术可通过两种方式应用。

首先，液态前体可作为涂层应用于底层结构（例如用于导弹和太空探索飞行器等高超音速技术的碳复合材料）。可将前体涂覆在结构表面，然后用激光进行烧结。

「由于该烧结过程无需将整个结构暴露在炉内高温下，这项新技术有望让我们在可能被炉内烧结损坏的材料上应用超高温陶瓷涂层，」Xu 解释道。

工程师应用该新烧结技术的第二种方式涉及增材制造（也称为 3D 打印）。具体而言，激光烧结方法可与类似于立体光刻的技术结合使用。

在该技术中，激光器安装于浸没在液态前体浴槽的工作台上。为构建三维结构，研究人员先创建结构的数字模型，然后将其『切片』分层。首先，激光在聚合物中描绘出结构第一层的轮廓，随后像填色那样填充轮廓区域。当激光『填充』该区域时，热能会将液态聚合物转化为陶瓷。接着工作台略微下降浸入聚合物浴槽，刮刀扫过顶部使表面平整。随后激光烧结结构的第二层，此过程循环重复，直至获得由烧结陶瓷制成的成品。

「严格来说，激光并不仅仅是在烧结液态前体，」Xu 指出。「更准确地说，激光先将液态聚合物转化为固态聚合物，再将固态聚合物转化为陶瓷。不过整个过程非常迅速——本质上属于一步成型工艺。」

在概念验证测试中，研究人员证实激光烧结技术能从液态聚合物前体制备出结晶态、相纯的碳化铪。

「据我们所知，这是首次有人能从液态聚合物前体制备出具有如此质量的碳化铪，」Xu 强调。「正如其名，超高温陶瓷在核能生产等需要承受极端温度的技术领域具有广泛应用前景。」

研究人员还证明激光烧结可用于在碳纤维增强碳复合材料（C/C）上制备高质量碳化铪涂层。关键点在于，陶瓷涂层能与底层结构牢固结合且不会剥落。

「C/C 基体上的碳化铪涂层展现出强附着力、均匀覆盖性，具备作为热防护层和抗氧化层的应用潜力，」Xu 说明。「这尤为重要，因为除高超音速应用外，碳/碳结构还用于火箭喷嘴、制动盘以及鼻锥体和机翼前缘等航空航天热防护系统。」

相较于传统烧结，新型激光烧结技术在多个方面效率显著提高。

「我们的技术可在数秒或数分钟内制备超高温陶瓷结构和涂层，而传统技术需要数小时甚至数天，」Xu 表示。「由于激光烧结速度更快且高度局部化，其能耗显著降低。此外，我们的方法成品率更高：激光烧结能将至少 50% 的前体转化为陶瓷，而传统方法通常仅转化 20-40% 的前体。

「最后，我们的技术相对便携，」Xu 补充道。「虽然需要在惰性环境中操作，但运输真空室和增材制造设备远比搬运大型高功率熔炉便捷得多。

「我们对此陶瓷技术的进展感到振奋，并乐于与公共及私营合作伙伴协作，推动该技术在实际应用中的转化，」Xu 表示。

题为《通过液态聚合物前体一步法激光反应热解合成碳化铪（HfC）》的论文发表于《美国陶瓷学会杂志》。论文共同通讯作者为北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系教授 Tiegang Fang。第一作者是北卡罗来纳州立大学博士后研究员 Shalini Rajpoot。北卡罗来纳州立大学博士生 Kaushik Nonavinakere Vinod 为合著者。

该研究获得了总部位于北卡罗来纳大学夏洛特分校的高级陶瓷增材制造中心的支持。