文/Sally Cole Johnson

圖1：研究團隊的實驗裝置示意圖。（圖片來源：Cheryl Xu）

由北卡羅來納州立大學機械與航空航天工程教授 Cheryl Xu 領導的工程師團隊，開發(fā)了一種創(chuàng)新的激光燒結工藝，該工藝利用激光將液態(tài)或粉末狀原材料轉化為陶瓷材料。由此工藝制成的陶瓷材料，有望應用于航天、國防和核能領域，這些場景均需要材料能夠在極端環(huán)境中耐受超高溫。

傳統(tǒng)燒結需要使用溫度超過 2200°C 的熔爐，而Xu教授團隊開發(fā)的激光方法無需熔爐，并且速度更快、更簡單，還大幅降低能耗。他們的激光燒結方法利用了真空室的惰性環(huán)境和增材制造設備。

“高超聲速飛行、太空探索和先進能源系統(tǒng)等極端環(huán)境，對陶瓷材料的性能提出了更高要求，這促使我們尋找更優(yōu)的制備方法。”Xu教授說，“碳化鉿（HfC）等材料因其卓越的耐高溫性而成為這些應用的理想選擇，但傳統(tǒng)制造方法極其緩慢、能耗高且靈活性差。我們不禁思考：能否利用激光能量從根本上簡化這一過程？”

選擇性激光反應熱解（SLRP）

該團隊開發(fā)的新方法命名為 “選擇性激光反應熱解（selective Laser Reaction Pyrolysis，SLRP）”。該方法首先將聚合物前驅體薄膜涂覆在基板上或注入模具中；隨后用120W的激光掃描材料表面并加熱材料，從而引發(fā)雙重轉變：先使聚合物鏈交聯(lián)，再將固體熱解為碳化鉿陶瓷。

“我們使用CO2紅外激光（波長10.6µm）選擇性地加熱碳化鉿的液態(tài)聚合物前驅體，”Xu教授解釋道，“激光提供局部熱能，能在數(shù)秒內將溫度快速升高到 2000℃以上。這一步就可以同時觸發(fā)聚合物交聯(lián)和熱解反應，將液態(tài)轉化為納米晶陶瓷。得益于局部光熱轉換，整個過程高度可控性且效率很高，從而使我們能夠精確地為3D結構制造涂層。”

“從液態(tài)到結晶碳化鉿的整個轉化過程僅需幾分鐘就能完成，并且無需大型熔爐。我們還能在碳纖維復合材料等脆弱材料上涂覆涂層，而不會損壞其基底。”Xu教授說道。

范式轉變

Xu教授領導的這項工作，為超高溫陶瓷的制造帶來了范式轉變。“傳統(tǒng)熔爐燒結需要數(shù)小時甚至數(shù)天，需要消耗大量能源。”Xu教授說，“我們的激光方法在幾分鐘內即可完成，并且是局部加熱，這樣就不需要因加熱整個部件而浪費能源。它還能實現(xiàn)復雜幾何形狀和數(shù)字化制造，從而為這類極端材料賦予了增材制造的靈活性。”

當然，研究過程中也遇到了一些障礙。“控制能量吸收和避免缺陷都頗具挑戰(zhàn)性，”Xu教授說，“我們需要優(yōu)化聚合物的化學性質以確保轉化均勻，我們嘗試了用熱活化劑和光活化劑來微調工藝。在碳/碳（C/C）等導電復合材料表面涂覆時，需要精細的熱工程設計來管理熱流，以確保良好的結合力和相純度。”

Xu教授表示，團隊最難忘的時刻之一，是首次僅用激光（無需熔爐）就能從簡單的液態(tài)薄膜中制備出具有優(yōu)良納米晶結構的純相碳化鉿。

“另一個令人興奮的結果是成功地在碳-碳復合材料上涂覆了具有強附著力的碳化鉿涂層——這是傳統(tǒng)燒結工藝無法實現(xiàn)的。”Xu教授說，“首次看到它成功時，我們非常激動，因為我們用激光克服了一個長期存在的制造瓶頸。”

該團隊對采用激光燒結法制備的碳化鉿涂層樣品進行了“噴槍測試”：他們用丙烷噴槍的火焰（最高溫度約 1900℃）持續(xù)灼燒樣品 5 分鐘。“灼燒后發(fā)現(xiàn)，碳基底的損傷相對較小，這表明該超高溫涂層在高溫下具有抗氧化性。”Xu教授說。

圖2：噴槍測試：樣品暴露于約1900°C的丙烷噴槍火焰中五分鐘后，碳基底損傷輕微。這表明涂層在超高溫下具有抗氧化性。（圖片來源：Cheryl Xu）

尋求資金與合作伙伴

在時間規(guī)劃上，該團隊已經成功演示了高質量涂層制備和粉末合成。“通過進一步的工程化開發(fā)，該技術可能在 2~5 年內應用于航空航天或國防領域的涂層制備。我們正在積極尋找合作伙伴，助力該方法的規(guī)�；�和商業(yè)化。”Xu教授補充道。

Xu教授及其團隊目前正在探索多個研究方向，包括：將該工藝擴展到其他超高溫陶瓷（如碳化鋯（ZrC）和碳化鉭（TaC））；開發(fā) 3D 打印方法以制備全增材制造的超高溫陶瓷部件；制備成分漸變的材料（同一部件中陶瓷性能可變化），以實現(xiàn)先進的熱防護和多功能材料。

“我們正在積極尋求公共和私營部門的資金支持與合作伙伴，以幫助這項技術轉化為航空航天、國防、能源等行業(yè)的實際應用。”Xu教授說道。