激光技术革新超高温陶瓷制造，助力航天及国防应用领域

"烧结是将原材料——无论是粉末还是液体——转化为陶瓷材料的过程，" 本研究的共同通讯作者、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。"在这项工作中，我们专注于一种名为碳化铪（HfC）的超高温陶瓷。传统上，烧结 HfC 需要将原材料置于温度至少达到 2200 摄氏度的炉中——这是一个耗时且耗能的过程。

"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（如真空室或充满氩气的腔室）中，将 120 瓦激光施加到液态聚合物前驱体表面来实现。激光烧结液体，将其转化为固体陶瓷。这可通过两种不同方式应用。

首先，液态前驱体可作为涂层施加到基础结构上，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。可将前驱体涂覆在结构表面，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将超高温陶瓷涂层应用于那些可能在炉内烧结过程中受损的材料，" Xu 解释道。

工程师利用这种新型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，激光器安装在浸没于液态前驱体槽中的平台上。为创建三维结构，研究人员先设计结构的数字模型，然后将研究人员先设计结构的数字模型，然后将该结构"切片"分层。开始时，激光在聚合物中勾勒出结构第一层的轮廓，并像填色画一样填充轮廓区域。当激光"填充"该区域时，热能会将液态聚合物转化为陶瓷。随后平台在聚合物槽中略微下降，刮刀扫过顶部使表面平整。激光接着烧结结构的第二层，此过程不断重复，直至获得由烧结陶瓷制成的成品。

"严格来说，称激光仅烧结液态前驱体有些过于简化，" Xu 指出。"更准确地说，激光首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。不过整个过程发生极快——本质上是一步完成的工艺。"

在概念验证测试中，研究人员证实激光烧结技术可从液态聚合物前驱体生成结晶态、相纯度高的 HfC。

"据我们所知，这是首次有人能从液态聚合物前驱体制备出如此高质量的 HfC，" Xu 强调。"而超高温陶瓷，顾名思义，在需要承受极端温度的各种应用中具有重要价值，例如核能生产领域。"

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）上制备高质量的 HfC 涂层。本质上，陶瓷涂层与基底结构牢固结合，不会剥离。

"C/C 基底上的 HfC 涂层表现出强附着力、均匀覆盖性，并具备用作热防护层和抗氧化层的潜力，" Xu 表示。"这尤其有用，因为除高超音速应用外，碳/碳结构还用于火箭喷嘴、刹车盘以及机头锥体和机翼前缘等航空航天热防护系统。"

这种新型激光烧结技术在多个方面也比传统烧结法显著更高效。

"我们的技术能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 说。"由于激光烧结更快且高度局部化，其能耗显著降低。此外，我们的方法成品率更高：激光烧结可将至少 50% 的前驱体转化为陶瓷，而传统方法通常仅转化 20-40%。

"最后，我们的技术相对便携，" Xu 补充道。"虽然必须在惰性环境中操作，但运输真空室和增材制造设备远比运输大型高功率熔炉容易得多。

"我们对陶瓷领域的这一进展感到振奋，并期待与公共和私营合作伙伴共同推动该技术在实际应用中的转化，" Xu 总结道。

题为《通过液态聚合物前驱体一步选择性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 参与了论文合著。

该研究获得了总部位于北卡罗来纳大学夏洛特分校的先进陶瓷增材制造中心的支持。