激光新技术革新超高温陶瓷制造工艺

来自北卡罗来纳州立大学（NC State）的研究团队展示了一项新型激光制造技术，能够制备耐超高温的陶瓷材料，适用于从核能技术到航天飞行器与喷气推进系统等多个领域。该技术可用于制备陶瓷涂层、陶瓷瓦片，甚至是复杂的三维结构，为新一代高性能器件和工程系统的设计提供了更大的灵活性。

“烧结是一种将原始材料（粉末或液体）转化为陶瓷材料的过程，” 本研究的通讯作者,北卡罗来纳州立大学,机械与航空航天工程系 Dr. Cheryl Xu 教授介绍道。“本研究中，我们重点研究了一种超高温陶瓷材料——HfC。传统方法要求在至少2200摄氏度的高温下，用大型高功率炉将材料烧结，这不仅耗能巨大，还受限于设备规模。”

“我们的方法更快、更简单，而且能耗更低。”

这一新方法通过在惰性气氛（如真空或氩气）中，将120瓦的激光照射到液态高分子前驱体表面，实现陶瓷的烧结。激光首先将液体转化为固态聚合物，然后进一步将其转化为陶瓷。这种称为 “选择性激光反应热解”（Selective Laser Reaction Pyrolysis, SLRP）的工艺，代表了一种完全不同于传统制造陶瓷的方式。

“这是一种热驱动反应，与传统依赖光聚合的制造方法截然不同。”  Dr. Xu 指出。“激光诱导局部区域升温至近2000°C甚至更高，在几秒级时间内即可完成陶瓷化过程。这种过程不仅能耗低，还可实现可编程制造，适用于局部图案化或涂层。”

与光固化立体光刻技术（SLA）不同，SLRP工艺不依赖于粉末悬浮液或紫外光固化树脂，也无需脱脂与高温烧结等后处理步骤。这一突破使高熔点陶瓷的增材制造更具可行性，尤其是在航天与国防领域。

研究团队已成功使用该方法将 HfC 陶瓷均匀地沉积在碳-碳复合材料（C/C）表面。C/C是一种广泛用于极端热环境的先进材料，例如高超音速飞行器的前沿防热结构。涂层表现出优异的粘附性和热稳定性，并可通过调整激光能量密度精确控制厚度。 由于无需将整个结构置于高温炉中烧结，该技术特别适用于那些在传统工艺中易受损的材料。

“这项技术的最大优势之一是其模块化和可扩展性。该系统可集成于现有的制造平台，实现数字化、分布式制造，为个性化设计和快速原型开发提供新的可能。”

实验结果表明，该方法可在单步过程中直接合成相纯的HfC陶瓷，陶瓷转化率超过50%，显著优于传统粉末烧结或光固化打印路线。此外，研究还表明通过在前驱体中添加热引发剂和光引发剂（如DCP和BZP）可以有效调控能量吸收与反应路径。

本研究由美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory, AFRL）和制造技术推广组织（Manufacturing Technology Deployment Group, MTDG）联合支持，彰显了前沿制造技术在高性能材料领域的广泛应用潜力。

“这项技术为极端环境下的陶瓷制造带来了重大突破，未来在航空航天、清洁能源、国防等关键领域发挥重要作用。” Dr. Xu 总结道。