來自北卡羅來納州立大學（NC State）的研究團隊展示了一項新型激光制造技術(shù)，能夠制備耐超高溫的陶瓷材料，適用于從核能技術(shù)到航天飛行器與噴氣推進系統(tǒng)等多個領(lǐng)域。該技術(shù)可用于制備陶瓷涂層、陶瓷瓦片，甚至是復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，為新一代高性能器件和工程系統(tǒng)的設(shè)計提供了更大的靈活性。

“燒結(jié)是一種將原始材料（粉末或液體）轉(zhuǎn)化為陶瓷材料的過程，本研究中，我們重點研究了一種超高溫陶瓷材料——HfC。傳統(tǒng)方法要求在至少2200攝氏度的高溫下，用大型高功率爐將材料燒結(jié)，這不僅耗能巨大，還受限于設(shè)備規(guī)模。我們的方法更快、更簡單，而且能耗更低。”

—— 北卡羅來納州立大學,機械與航空航天工程系 Dr. Cheryl Xu 教授

這一新方法通過在惰性氣氛（如真空或氬氣）中，將120瓦的激光照射到液態(tài)高分子前驅(qū)體表面，實現(xiàn)陶瓷的燒結(jié)。激光首先將液體轉(zhuǎn)化為固態(tài)聚合物，然后進一步將其轉(zhuǎn)化為陶瓷。這種稱為 “選擇性激光反應(yīng)熱解”（selective Laser Reaction Pyrolysis, SLRP）的工藝，代表了一種完全不同于傳統(tǒng)制造陶瓷的方式。

“這是一種熱驅(qū)動反應(yīng)，與傳統(tǒng)依賴光聚合的制造方法截然不同。激光誘導(dǎo)局部區(qū)域升溫至近2000°C甚至更高，在幾秒級時間內(nèi)即可完成陶瓷化過程。這種過程不僅能耗低，還可實現(xiàn)可編程制造，適用于局部圖案化或涂層。”

—— 北卡羅來納州立大學,機械與航空航天工程系 Dr. Cheryl Xu 教授

與光固化立體光刻技術(shù)（SLA）不同，SLRP工藝不依賴于粉末懸浮液或紫外光固化樹脂，也無需脫脂與高溫燒結(jié)等后處理步驟。這一突破使高熔點陶瓷的增材制造更具可行性，尤其是在航天與國防領(lǐng)域。

研究團隊已成功使用該方法將 HfC 陶瓷均勻地沉積在碳-碳復(fù)合材料（C/C）表面。C/C是一種廣泛用于極端熱環(huán)境的先進材料，例如高超音速飛行器的前沿防熱結(jié)構(gòu)。涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的粘附性和熱穩(wěn)定性，并可通過調(diào)整激光能量密度精確控制厚度。 由于無需將整個結(jié)構(gòu)置于高溫爐中燒結(jié)，該技術(shù)特別適用于那些在傳統(tǒng)工藝中易受損的材料。

“這項技術(shù)的最大優(yōu)勢之一是其模塊化和可擴展性。該系統(tǒng)可集成于現(xiàn)有的制造平臺，實現(xiàn)數(shù)字化、分布式制造，為個性化設(shè)計和快速原型開發(fā)提供新的可能。”

實驗結(jié)果表明，該方法可在單步過程中直接合成相純的HfC陶瓷，陶瓷轉(zhuǎn)化率超過50%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)粉末燒結(jié)或光固化打印路線。此外，研究還表明通過在前驅(qū)體中添加熱引發(fā)劑和光引發(fā)劑（如DCP和BZP）可以有效調(diào)控能量吸收與反應(yīng)路徑。

本研究由美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory, AFRL）和制造技術(shù)推廣組織（Manufacturing Technology Deployment Group, MTDG）聯(lián)合支持，彰顯了前沿制造技術(shù)在高性能材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。

“這項技術(shù)為極端環(huán)境下的陶瓷制造帶來了重大突破，未來在航空航天、清潔能源、國防等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。” Dr. Xu 總結(jié)道。

轉(zhuǎn)自：EurekAlert優(yōu)�？瓶茖W平臺

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