文/Sally Cole Johnson

图1：研究团队的实验装置示意图。（图片来源：Cheryl Xu）

由北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程教授 Cheryl Xu 领导的工程师团队，开发了一种创新的激光烧结工艺，该工艺利用激光将液态或粉末状原材料转化为陶瓷材料。由此工艺制成的陶瓷材料，有望应用于航天、国防和核能领域，这些场景均需要材料能够在极端环境中耐受超高温。

传统烧结需要使用温度超过 2200°C 的熔炉，而Xu教授团队开发的激光方法无需熔炉，并且速度更快、更简单，还大幅降低能耗。他们的激光烧结方法利用了真空室的惰性环境和增材制造设备。

“高超声速飞行、太空探索和先进能源系统等极端环境，对陶瓷材料的性能提出了更高要求，这促使我们寻找更优的制备方法。”Xu教授说，“碳化铪（HfC）等材料因其卓越的耐高温性而成为这些应用的理想选择，但传统制造方法极其缓慢、能耗高且灵活性差。我们不禁思考：能否利用激光能量从根本上简化这一过程？”

选择性激光反应热解（SLRP）

该团队开发的新方法命名为 “选择性激光反应热解（selective Laser Reaction Pyrolysis，SLRP）”。该方法首先将聚合物前驱体薄膜涂覆在基板上或注入模具中；随后用120W的激光扫描材料表面并加热材料，从而引发双重转变：先使聚合物链交联，再将固体热解为碳化铪陶瓷。

“我们使用CO2红外激光（波长10.6µm）选择性地加热碳化铪的液态聚合物前驱体，”Xu教授解释道，“激光提供局部热能，能在数秒内将温度快速升高到 2000℃以上。这一步就可以同时触发聚合物交联和热解反应，将液态转化为纳米晶陶瓷。得益于局部光热转换，整个过程高度可控性且效率很高，从而使我们能够精确地为3D结构制造涂层。”

“从液态到结晶碳化铪的整个转化过程仅需几分钟就能完成，并且无需大型熔炉。我们还能在碳纤维复合材料等脆弱材料上涂覆涂层，而不会损坏其基底。”Xu教授说道。

范式转变

Xu教授领导的这项工作，为超高温陶瓷的制造带来了范式转变。“传统熔炉烧结需要数小时甚至数天，需要消耗大量能源。”Xu教授说，“我们的激光方法在几分钟内即可完成，并且是局部加热，这样就不需要因加热整个部件而浪费能源。它还能实现复杂几何形状和数字化制造，从而为这类极端材料赋予了增材制造的灵活性。”

当然，研究过程中也遇到了一些障碍。“控制能量吸收和避免缺陷都颇具挑战性，”Xu教授说，“我们需要优化聚合物的化学性质以确保转化均匀，我们尝试了用热活化剂和光活化剂来微调工艺。在碳/碳（C/C）等导电复合材料表面涂覆时，需要精细的热工程设计来管理热流，以确保良好的结合力和相纯度。”

Xu教授表示，团队最难忘的时刻之一，是首次仅用激光（无需熔炉）就能从简单的液态薄膜中制备出具有优良纳米晶结构的纯相碳化铪。

“另一个令人兴奋的结果是成功地在碳-碳复合材料上涂覆了具有强附着力的碳化铪涂层——这是传统烧结工艺无法实现的。”Xu教授说，“首次看到它成功时，我们非常激动，因为我们用激光克服了一个长期存在的制造瓶颈。”

该团队对采用激光烧结法制备的碳化铪涂层样品进行了“喷枪测试”：他们用丙烷喷枪的火焰（最高温度约 1900℃）持续灼烧样品 5 分钟。“灼烧后发现，碳基底的损伤相对较小，这表明该超高温涂层在高温下具有抗氧化性。”Xu教授说。

图2：喷枪测试：样品暴露于约1900°C的丙烷喷枪火焰中五分钟后，碳基底损伤轻微。这表明涂层在超高温下具有抗氧化性。（图片来源：Cheryl Xu）

寻求资金与合作伙伴

在时间规划上，该团队已经成功演示了高质量涂层制备和粉末合成。“通过进一步的工程化开发，该技术可能在 2~5 年内应用于航空航天或国防领域的涂层制备。我们正在积极寻找合作伙伴，助力该方法的规模化和商业化。”Xu教授补充道。

Xu教授及其团队目前正在探索多个研究方向，包括：将该工艺扩展到其他超高温陶瓷（如碳化锆（ZrC）和碳化钽（TaC））；开发 3D 打印方法以制备全增材制造的超高温陶瓷部件；制备成分渐变的材料（同一部件中陶瓷性能可变化），以实现先进的热防护和多功能材料。

“我们正在积极寻求公共和私营部门的资金支持与合作伙伴，以帮助这项技术转化为航空航天、国防、能源等行业的实际应用。”Xu教授说道。