激光技术革新超高温陶瓷制造工艺，应用于航空航天及国防领域

"烧结是将原材料（粉末或液体）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教授Cheryl Xu表示。"我们重点研究了一种名为碳化铪（HfC）的超高温陶瓷。传统方法需将原材料置于至少2200摄氏度的炉内烧结——这个过程耗时且能耗巨大。

"我们的技术更快、更简便且能耗更低。"

新技术通过在惰性环境（真空室或氩气室）中对液态聚合物前驱体表面施加120瓦激光实现。激光烧结液体使其转化为固态陶瓷，该技术有两种应用方式。

第一种是将液态前驱体作为涂层应用于底层结构（如导弹和太空探测器等高超声速技术使用的碳复合材料）。将前驱体涂覆在结构表面后通过激光烧结。

"由于该工艺无需将整个结构暴露在炉内高温中，新技术有望在易受炉内烧结损伤的材料表面实现超高温陶瓷涂层的应用，"Xu解释道。

第二种应用与增材制造（3D打印）结合。具体而言，激光烧结技术可与类立体光刻技术协同使用。

该技术将激光器安装在盛有液态前驱体的容器上方工作台。研究人员先创建三维结构的数字模型并将其"切片"分层：激光首先在聚合物中勾勒首层轮廓并填充（如同填色绘图），热能同步将液态聚合物转化为陶瓷；工作台下降至新液层后，刮刀平整表面；激光继而烧结第二层结构，该过程循环直至完成整体陶瓷构件。

"严格来说，激光并非仅仅烧结液态前驱体，"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，再转变为陶瓷。整个过程在瞬间完成，实质上是单步工艺。"

概念验证实验中，研究人员证实该激光烧结技术可从液态聚合物前驱体产出晶态相态纯净的HfC。

"这是首次实现从液态聚合物前驱体制备出如此高质量的HfC，"Xu强调，"超高温陶瓷适用于核能生产等需耐受极端温度的技术场景。"

研究还证明该技术可在碳纤维增强碳复合材料（C/C）表面制备高质量HfC涂层。陶瓷涂层与底层结构牢固结合无剥离现象。

"C/C基板上的HfC涂层展现出强附着力、均匀覆盖性及作为热防护/抗氧化层的潜力，"Xu说明，"这对火箭喷管、制动盘以及机鼻/机翼前缘等航空航天热防护系统尤为重要。"

相较于传统烧结，该激光技术在多方面显著增效：

"新技术可在秒/分钟级完成超高温陶瓷构件与涂层制造，传统工艺则需数小时/天，"Xu表示，"激光烧结因快速精准定位，能耗显著降低且成品率更高：前驱体质量转化率达50%以上，传统方法仅20-40%。

"最后，本技术具备相对便携性，"Xu补充道，"虽然需在惰性环境操作，但运输真空室和增材设备远比大型高温炉便捷。

"我们期待与公私领域合作伙伴共同推进该陶瓷技术的实际应用转化，"Xu总结道。

题为《通过液态聚合物前驱体一步法选择性激光反应热解合成碳化铪（HfC）》的论文发表于《美国陶瓷学会期刊》。共同通讯作者为NC州立大学Tiegang Fang教授，第一作者为该校博士后Shalini Rajpoot，合作作者包括博士生Kaushik Nonavinakere Vinod。

本研究获得北卡罗来纳大学夏洛特分校先进陶瓷增材制造中心支持。