激光技术革新用于航空航天及国防应用场景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学教授徐雪莉（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需要将原材料放入温度至少达到2,200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瓦的激光照射到液态聚合物前驱体表面。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，例如用于导弹和空间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。

“由于烧结过程不需要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在炉内烧结可能受损的材料上，”徐教授表示。

工程师利用这种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，激光器安装在工作台上，该工作台浸入液态前驱体槽中。为了创建三维结构，研究人员先构建结构的数字设计，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，并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。随后工作台在聚合物槽中略微下降，刮刀扫过顶部使表面平整。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’烧结液态前驱体有点过于简化，”徐教授说。“更准确的说法是：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。然而，所有这些都发生得非常快——本质上是一个单步过程。”

在概念验证测试中，研究人员证明激光烧结技术能从液态聚合物前驱体生产出结晶、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，”徐教授表示。“而超高温陶瓷，顾名思义，适用于需要耐受极端温度的广泛技术领域，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，”徐教授说。“这尤其有用，因为除了高超音速应用外，碳/碳结构还用于火箭喷嘴、制动盘以及航空航天热防护系统（如鼻锥和机翼前缘）。”

这项新型激光烧结技术在多个方面也比传统烧结显著更高效。

“我们的技术能在几秒或几分钟内制造超高温陶瓷结构和涂层，而传统技术需要数小时或数天，”徐教授说。“并且由于激光烧结更快且高度局部化，其能耗显著降低。此外，我们的方法产率更高。具体而言，激光烧结能将至少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，”徐教授表示。“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兴奋，并愿意与公共和私营伙伴合作，将这项技术转化为实际应用，”徐教授说。

论文《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）》发表在《美国陶瓷学会杂志》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学教授Tiegang Fang。论文第一作者是北卡罗来纳州立大学博士后研究员Shalini Rajpoot。合著者包括北卡罗来纳州立大学博士生Kaushik Nonavinakere Vinod。

该研究获得了位于夏洛特北卡罗来纳大学的先进陶瓷增材制造中心的支持。