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        研究人员展示了一种新技术，该技术使用激光制造能够承受超高温的陶瓷，其应用范围从核能技术到航天器和喷气排气系统。 该技术可用于制造陶瓷涂层、瓷砖或复杂的三维结构，从而在设计新设备和技术时增加多功能性。

         “烧结是原材料（粉末或液体）的过程转化为陶瓷材料，“该研究论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程教授 Cheryl Xu 说。 “在这项工作中，我们专注于一种称为碳化铪 （HfC） 的超高温陶瓷。 传统上，烧结 HfC 需要将原材料放入温度至少为 2,200 摄氏度的炉中，这一过程既耗时又耗能。

         “我们的技术更快、更容易，并且需要更少的能量。

         这项新技术的工作原理是将 120 瓦的激光器应用于惰性环境（例如真空室或充满氩气的腔室）中的液态聚合物前驱体表面。 激光烧结液体，将其变成固体陶瓷。 这可以通过两种不同的方式使用。

         首先，液体前驱体可以作为涂层应用于底层结构，例如用于高超音速技术的碳复合材料，例如导弹和太空探索飞行器。 前驱体可以涂在结构表面，然后用激光烧结。

         “因为烧结过程不需要将整个结构暴露在炉子的热量下，所以这项新技术有望让我们将超高温陶瓷涂层应用于可能因炉中烧结而损坏的材料，”徐说。

         工程师利用新烧结技术的第二种方式涉及增材制造，也称为 3D 打印。 具体来说，激光烧结方法可以与类似于立体光固化成型的技术结合使用。

         在这种技术中，激光器安装在位于液体前驱体浴中的桌子上。 为了创建三维结构，研究人员创建了结构的数字设计，然后将该结构“切片”成层。 首先，激光在聚合物，填充轮廓，就像在图片中着色一样。 当激光“填充”该区域时，热能将液态聚合物转化为陶瓷。 然后，桌子再降低一点，进入聚合物浴槽中，刀片扫过顶部以平整表面。 然后，激光烧结结构的第二层，这个过程重复进行，直到您得到由烧结陶瓷制成的成品。

         “这么说实际上有点过于简单化了激光只是烧结液体前驱体，“徐说。 “更准确地说，激光器首先将液体聚合物转化为固体聚合物，然后将固体聚合物转化为陶瓷。 然而，所有这些都发生得非常快——这基本上是一个一步到位的过程。

         在概念验证测试中，研究人员证明激光烧结技术从液态聚合物前驱体中产生了结晶的相纯 HfC。

         “这是我们第一次知道有人能够从液态聚合物前驱体中制造出这种质量的 HfC，“Xu 说。 “顾名思义，超高温陶瓷可用于技术必须承受极端温度的广泛应用，例如核能生产。”

         研究人员还证明，激光烧结可用于制造碳纤维增强碳复合材料 （C/C） 的高质量 HfC 涂层。 基本上，陶瓷涂层粘合到底层结构，没有剥落。

         “C/C 基材上的 HfC 涂层表现出很强的附着力、均匀的覆盖率，并有可能用作热保护和抗氧化层，”Xu 说。 “这特别有用，因为除了高超音速应用外，碳/碳结构还用于火箭喷嘴、制动盘和航空航天热保护系统，如鼻锥和机翼前缘。”

         新的激光烧结技术也是在几个方面比传统烧结效率明显更高。

         “我们的技术使我们能够在几秒钟或几分钟内创建超高温陶瓷结构和涂层，而传统技术需要几小时或几天，”Xu 说。 “而且由于激光烧结速度更快且高度本地化，因此它使用的能源要少得多。 更重要的是，我们的方法产生了更高的产量。 具体来说，激光烧结将至少 50% 的前驱体质量转化为陶瓷。传统方法通常只转化 20-40% 的前驱体。

         “最后，我们的技术相对便携，”Xu 说。 “是的，它必须在惰性环境中完成，但运输真空室和增材制造设备比运输强大的大型熔炉要容易得多。

         “我们对陶瓷领域的这一进步感到兴奋，并愿意与公共和私人合作伙伴合作，将这项技术用于实际应用，”“徐说。

         论文“通过液态聚合物前驱体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。 该论文的共同通讯作者是北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程教授 Tiegang Fang。 该论文的第一作者是北卡罗来纳州立大学的博士后研究员 Shalini Rajpoot。 该论文由博士 Kaushik Nonavinakere Vinod 合著。 北卡罗来纳州立大学的学生。

        这项研究是在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下完成的。