北卡羅來納州立大學開發(fā)新型單步激光處理工藝，加快碳化鉿高溫陶瓷合成速度

2025年6月17日，南極熊獲悉，北卡羅來納州立大學的研究人員開發(fā)了一種基于激光的單步合成碳化鉿(HfC) 的方法來大大簡化這種超高溫陶瓷的生產。

相關研究以題為“Synthesis of hafnium carbide (HfC)via one-step selective laser reaction pyrolysis from liquid polymer precursor”的論文發(fā)表在美國陶瓷學會（ACS）期刊上，由北卡羅來納州立大學機械與航空航天工程系教授方鐵剛和徐成英共同領導。

論文鏈接：https://doi.org/10.1111/jace.20650

HfC是已知熱穩(wěn)定性最高的材料之一，熔點高于3900°C，硬度高，具有很強的抗氧化和抗熱沖擊能力。這些特性使其成為航空航天和國防應用的關鍵材料，尤其是在高超音速飛行器和再入艙的熱防護系統(tǒng)中。然而，傳統(tǒng)的合成方法復雜且耗能，涉及交聯(lián)、爐內熱解和大量的后處理等多個階段。這些步驟不僅延長了生產周期，還限制了材料的可擴展性和應用靈活性。

北卡羅來納州立大學團隊引入的工藝被稱為選擇性激光反應熱解 (SLRP)，它以單步激光處理取代了傳統(tǒng)的工作流程。實驗裝置系統(tǒng)使用OMTech公司的二氧化碳紅外激光器，在充滿氬氣的腔室內加熱鉿基液態(tài)前驅體（StarfireSystems 公司的 SHP199 HFC）。

Xu說：“我們的技術可以在幾秒或幾分鐘內創(chuàng)造出超高溫陶瓷結構和涂層，而傳統(tǒng)技術則需要幾小時或幾天的時間。”

幾秒鐘內即可達到超過2000°C的溫度，同時引發(fā)交聯(lián)和熱解。這種快速轉化使得無需使用模具或高溫爐即可形成HfC粉末或涂層。

△(A) 選擇性激光反應熱解 (SLRP) 處理裝置的示意圖，展示了 CO2紅外激光系統(tǒng)、環(huán)境室、氬氣流和數(shù)據采集組件。(B) 實驗裝置的攝影圖像，展示了用于基于激光的 HfC 合成的環(huán)境室的正面和頂視圖。

評估添加劑的產量和純度

為了研究前驅體成分如何影響能量吸收和材料產率，研究人員引入了兩種添加劑。熱活化劑過氧化二異丙苯對激光能量反射率的影響微乎其微，但提高了陶瓷產率并保持了材料純度。

其次，二苯甲酮（一種在紫外線 (UV) 下引發(fā)交聯(lián)的光活化劑）降低了能量反射，增強了熱吸收。然而，它也導致了微量氧化鉿的形成，這可能是由于紫外線照射期間殘留氧氣參與的反應。結果表明，熱活化可以提供更好的相控制，而光活化可能需要更嚴格的環(huán)境調控。

材料表征證實，在1700℃、1800℃和2000℃的目標溫度下成功合成了HfC。X射線衍射證實，所有未經光活化制備的樣品均具有一致的立方相結構。晶粒尺寸保持在39.8納米附近，掃描和透射電子顯微鏡顯示晶粒結構良好，孔隙率低，元素分布均勻。熱活化樣品中未觀察到氧污染，證實了惰性氣氛的有效性。

△SEM 圖像展示了采用 SLRP 工藝在不同溫度下合成的 HfC 粉末的典型形貌：(A) 1700°C (HFC17)，(B) 1800°C (HFC18)，以及 (C) 2000°C (HFC20)。相應的高倍放大圖像 (A1、B1、C1) 揭示了隨著溫度升高，晶粒聚結、致密化和孔隙率降低的演變過程。

研究人員還證明，新方法可以將HfC涂層沉積到碳-碳復合材料基材上，而碳-碳復合材料基材廣泛應用于航空航天系統(tǒng)。單層涂層通過填充纖維間隙，減少了表面不規(guī)則性。第二層改變了表面粗糙度和幾何形狀，從而形成了更復雜的輪廓。輪廓測量法和共焦成像證實了高度和紋理的可測量變化，表明可以通過調整沉積參數(shù)來調整表面特性。

傳統(tǒng)的聚合物衍生陶瓷技術需要數(shù)小時的加熱時間，成品率僅為26%至36%，而基于激光的方法在不到十分鐘的時間內即可實現(xiàn)高達56%的陶瓷成品率。該方法能夠快速進行局部加熱，同時保持材料質量，非常適合可擴展制造，尤其是在涉及復雜幾何形狀或熱敏感組件的應用中。

Xu說：“我們對陶瓷領域的這一進步感到非常興奮，并愿意與公共和私人合作伙伴合作，將這項技術轉化為實際應用。”

△添加劑及其對交聯(lián)和能量吸收的影響。圖片來自北卡羅來納州立大學。

陶瓷的激光加工

激光在陶瓷加工中的應用方式多種多樣。有些方法注重純度和速度，有些則注重幾何形狀和結構控制，所有這些方法都旨在突破傳統(tǒng)制造工藝的限制。

兩年前，陶瓷 3D 打印專家Lithoz與美國能源部(DoE)橡樹嶺國家實驗室(ORNL) 簽署了合作研發(fā)協(xié)議，探索使用 Lithoz 的激光誘導注漿成型 (LIS) 3D 打印技術加工非氧化物陶瓷。項目專注于碳化硅和氮化硅等高折射率陶瓷，旨在評估激光燒結技術 (LIS) 在航空航天、國防和熱交換系統(tǒng)極端溫度應用中的可擴展性和性能。團隊使用CeraMaxVario V900 3D 打印機，利用激光漿料干燥技術生產復雜的無支撐陶瓷部件。計劃包括打印、脫脂和燒結氧化物陶瓷材料，然后進行嚴格的測試以評估性能，并證明 LIS 作為傳統(tǒng)陶瓷成型技術的可擴展替代方案。

國內江南大學的研究人員開發(fā)了一種新穎的3D打印技術，無需支撐材料即可制造復雜的陶瓷結構。該方法將直接墨水書寫（DIW）與近紅外（NIR）光誘導光聚合相結合，使用980 nm激光在陶瓷漿料擠出時進行原位固化。這使得直徑從0.41毫米到3.5毫米的多尺度細絲幾乎可以瞬間固化，形成扭力彈簧和懸臂等獨立形狀。與紫外線相比，近紅外光在極短的時間內實現(xiàn)了顯著更高的固化深度。新的DIW工藝還減少了后處理，提高了精度，并且無需加熱或冷卻，有望在航空航天、能源、電子和生物醫(yī)學等領域得到廣泛應用。