激光技术革新用于航空航天与国防应用的超高温陶瓷制造工艺

“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，”该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，我们专注于一种称为碳化铪（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、更简单且能耗更低。”

这项新技术的工作原理是在惰性环境（如真空室或充满氩气的腔室）中，将 120 瓦激光照射到液态聚合物前驱体的表面。激光烧结液体，将其转化为固体陶瓷。这可以通过两种不同的方式应用。

首先，液体前驱体可以作为涂层施加到底层结构上，例如用于导弹和空间探索飞行器等高超音速技术的碳复合材料。前驱体可以涂覆在结构表面，然后用激光进行烧结。

“由于这种烧结过程不需要将整个结构暴露在炉子的高温下，这项新技术有望让我们将超高温陶瓷涂层应用到那些可能在炉内烧结过程中受损的材料上，”许教授说。

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。具体来说，激光烧结方法可以与类似于立体光刻的技术结合使用。

在此技术中，激光器安装在位于液体前驱体浴槽中的台面上。要创建三维结构，研究人员首先构建该结构的数字设计，然后将其“切片”成若干层。开始时，激光在聚合物中勾勒出结构第一层的轮廓，然后像填色一样填充该轮廓。当激光“填充”该区域时，热能会将液态聚合物转化为陶瓷。随后台面在聚合物浴槽中略微下降一点，用刮刀扫过顶部以使表面平整。接着激光烧结结构的第二层，此过程重复进行，直到获得由烧结陶瓷制成的成品。

“说激光仅仅烧结液态前驱体其实有点过于简化，”许教授说。“更准确地说，激光首先将液态聚合物转化为固态聚合物，然后将固态聚合物转化为陶瓷。然而，这一切发生得非常快——本质上是一个一步完成的过程。”

在概念验证测试中，研究人员证明，激光烧结技术可以从液态聚合物前驱体产生结晶、相纯的 HfC。

“据我们所知，这是首次有人能够从液态聚合物前驱体制造出这种质量的 HfC，”许教授说。“而超高温陶瓷，顾名思义，在需要技术承受极端温度的广泛应用中都很有用，例如核能生产。”

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。基本上，陶瓷涂层能与底层结构牢固结合，不会剥落。

“C/C 基底上的 HfC 涂层表现出强附着力、均匀覆盖性，并具有用作热防护和抗氧化层的潜力，”许教授说。“这特别有用，因为除了高超音速应用外，碳/碳结构还用于火箭喷嘴、刹车盘以及航空航天热防护系统，如鼻锥体和机翼前缘。”

这种新型激光烧结技术在几个方面也比传统烧结效率显著更高。

“我们的技术使我们能够在几秒或几分钟内制造出超高温陶瓷结构和涂层，而传统技术需要数小时或数天，”许教授说。“并且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。具体来说，激光烧结将至少 50% 的前驱体质量转化为陶瓷。传统方法通常仅转化 20-40% 的前驱体。

“最后，我们的技术相对便携，”许教授说。“是的，它必须在惰性环境中进行，但运输真空室和增材制造设备比运输一个强大的大型熔炉要容易得多。

“我们对陶瓷技术的这一进展感到兴奋，并愿意与公共和私营合作伙伴合作，将这项技术转化为实际应用，”许教授说。

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）》的论文发表在《美国陶瓷学会杂志》(Journal of the American Ceramic Society)上。该论文的共同通讯作者是北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系教授 Tiegang Fang。论文的第一作者是北卡罗来纳州立大学博士后研究员 Shalini Rajpoot。论文合作者包括北卡罗来纳州立大学博士生 Kaushik Nonavinakere Vinod。

该研究得到了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。