研究人员开发了一项新技术，利用激光制造可承受超高温的陶瓷，其应用范围涵盖核能技术、航天器和喷气发动机排气系统等。该技术可用于制造陶瓷涂层、瓷砖或复杂的三维结构，从而提升新设备和新技术的设计灵活性。

　　相关论文《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》发表在《美国陶瓷学会杂志》。

　　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介绍说：“烧结是将原材料（粉末或液体）转化为陶瓷材料的过程，在这项研究中，我们专注于一种名为碳化铪（HfC）的超高温陶瓷。传统上，烧结碳化铪需要将原材料放入温度至少可达2200℃的熔炉中，这个过程既耗时又耗能。新的技术更快捷、更简便，而且能耗更低。”

　　这项新技术的工作原理是，在惰性环境（例如，真空室或充满氩气的腔室）中，将120瓦的激光照射到液态聚合物前驱体的表面。激光将液体烧结成固态陶瓷。这项技术可以用于两种不同的用途。

　　首先，液态前驱体可以作为涂层应用于底层结构，例如用于导弹和太空飞行器等高超声速技术的碳复合材料。前驱体可以应用于结构表面，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膛的热量下，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内烧结而受损的材料上。”Xu教授说道。

　　工程师们可以利用这项新烧结技术的第二种方式是增材制造（也称为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。

　　在这项技术中，激光器安装在一个置于液态前驱体槽中的工作台上。为了创建三维结构，研究人员需要对该结构进行数字设计，然后将该结构“切片”成层。首先，激光在聚合物中绘制出结构第一层的轮廓，就像在图画中着色一样进行填充。

　　当激光“填充”该区域时，热能将液态聚合物转化为陶瓷。然后，工作台稍微向下延伸至聚合物槽中，用刀片扫过顶部，使表面平整。然后，激光烧结结构的第二层，并重复此过程，直到获得由烧结陶瓷制成的成品。

　　“说激光只是烧结液态前驱体，实际上有点过于简单，更准确的说法是，激光首先将液态聚合物转化为固态聚合物，然后再将固态聚合物转化为陶瓷。然而，所有这些都发生得非常快——本质上是一个一步到位的过程。”Xu教授说道。

　　概念验证测试中，研究人员证明，激光烧结技术可以从液态聚合物前驱体中生成结晶的、相对纯的碳化铪。这是首次发现能够从液态聚合物前驱体中制备出这种质量的碳化铪。顾名思义，超高温陶瓷在必须承受极端温度的技术领域（例如核能生产）有着广泛的应用。

　　研究人员还证明了激光烧结技术可用于制造碳纤维增强碳复合材料（C/C）的高质量碳化铪涂层。陶瓷涂层基本上与底层结构紧密结合，不会剥落。

　　“C/C基材上的碳化铪涂层表现出了强大的附着力、均匀的覆盖率，并具有作为热防护层和抗氧化层的潜力，”徐教授说，“这尤其有用，因为除了高超声速应用外，碳/碳结构还用于火箭喷嘴、刹车盘以及航空航天热防护系统，如鼻锥和机翼前缘。”

　　新型激光烧结技术在多个方面也比传统烧结技术效率更高。新技术能够在几秒或几分钟内制造出超高温陶瓷结构和涂层，而传统技术则需要几小时或几天的时间，

　　由于激光烧结速度更快、高度局部化，因此能耗显著降低。此外，新方法产量更高。具体来说，激光烧结至少能将50%的前体转化为陶瓷。而传统方法通常只能转化20%到40%的前体。

　　此外，新技术相对便携，尽管它必须在惰性环境中进行，但运输真空室和增材制造设备比运输一台功率强大的大型熔炉要容易得多。

　　Xu教授对陶瓷领域的这一进步感到兴奋，并愿意与公共和私营部门合作，将这项技术转化为实际应用。 （航柯）