研究人员展示了一种新技术，利用激光制造能够承受超高温的陶瓷，应用范围从核能技术到航天器和喷气排气系统。该技术可用于创建陶瓷涂层、瓷砖或复杂的三维结构，从而在工程新设备和技术时提供更大的灵活性。
研究人员展示了一种新技术，利用激光制造能够承受超高温的陶瓷，应用范围从核能技术到航天器和喷气排气系统。该技术可用于创建陶瓷涂层、瓷砖或复杂的三维结构，从而在工程新设备和技术时提供更大的灵活性。
“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，”北卡罗来纳州立大学机械与航天工程教授、该研究论文的共同通讯作者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需要将原材料放入能够达到至少2200摄氏度的炉子中——这个过程既耗时又耗能。
“我们的方法更快、更简单，且需要更少的能量。”
新技术通过在惰性环境中（例如真空室或充满氩气的室）对液态聚合物前体的表面施加120瓦的激光来工作。激光烧结液体，将其转化为固体陶瓷。这个过程可以以两种不同的方式使用。
第一种方法是将液态前体用于涂覆在基础结构上，比如用在超音速技术（如导弹和空间探索载具）中的碳复合材料。前体可以涂覆在结构表面，然后用激光烧结。
“由于烧结过程不需要将整个结构暴露在炉子的高温下，因此这一新技术有望使我们能够将超高温陶瓷涂层应用于可能因在炉中烧结而受损的材料，”Xu表示。
工程师利用新烧结技术的第二种方法涉及增材制造，亦称为3D打印。具体来说，激光烧结方法可以与一种类似于立体光刻的技术结合使用。
在这种技术中，激光安装在一个浸没在液态前体中的台子上。为了创建三维结构，研究人员创建结构的数字设计，然后将其“切割”为层。开始时，激光在聚合物中绘制第一层结构的轮廓，像给图画上色一样填充轮廓。当激光“填充”这一区域时，热能将液态聚合物转化为陶瓷。然后，台子稍微降低到聚合物浴中，刀片扫过顶部以平整表面。激光随后烧结结构的第二层，这一过程持续重复，直到得到一个由烧结陶瓷制成的成品。
“说激光只是在烧结液态前体有点过于简化，”Xu表示。“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，所有这些过程都非常迅速——基本上是一个一步到位的过程。”
在概念验证测试中，研究人员展示了激光烧结技术能够从液态聚合物前体生产出结晶的、相纯的HfC。
“这是我们所知道的首次有人成功从液态聚合物前体制造出这种质量的HfC，”Xu表示。“而超高温陶瓷，顾名思义，适用于必须承受极端温度的广泛应用，如核能生产。”
研究人员还展示了激光烧结可用于为碳纤维增强塑料（C/C）制造高质量的HfC涂层。基本上，这种陶瓷涂层与基础结构牢固结合，没有脱落。
“C/C基底上的HfC涂层表现出强大的附着力、均匀覆盖性以及作为热保护和抗氧化层的潜力，”Xu表示。“这特别有用，因为除了超音速应用外，碳/碳结构也用于火箭喷嘴、刹车盘和航天热保护系统，如机头锥和机翼前缘。”
新激光烧结技术在多个方面显著比传统烧结更高效。
“我们的方法让我们能够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，”Xu表示。“而且由于激光烧结速度更快、局部高度集中，消耗的能量显著减少。更何况，我们的方法产生更高的产量。具体来说，激光烧结将至少50%的前体质量转化为陶瓷。传统方法通常仅将20-40%的前体转化为陶瓷。
“最后，我们的方法相对便携，”Xu表示。“是的，它必须在惰性环境中进行，但运输一个真空室和增材制造设备比运输一个强大的大型炉子容易得多。
“我们对陶瓷领域的这一进展感到兴奋，并愿意与公共和私人伙伴合作，推动这一技术在实际应用中的转化，”Xu表示。
论文《通过液态聚合物前体的一步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。论文的共同通讯作者是北卡州立大学机械与航空工程教授Tiegang Fang。论文的第一作者是北卡州立大学的博士后研究员Shalini Rajpoot。论文由北卡州立大学的博士生Kaushik Nonavinakere Vinod共同署名。
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。
