"Спекание - это процесс, посредством которого исходные материалы - порошки или жидкости - превращаются в керамический материал", - говорит Шерил Сюй, соавтор статьи об этом исследовании и профессор механики и аэрокосмической инженерии в Университете штата Северная Каролина. "Для этой работы мы сосредоточились на сверхвысокотемпературной керамике под названием карбид гафния (HfC). Традиционно для спекания ГФУ требуется поместить сырье в печь, температура которой может достигать не менее 2200 градусов Цельсия - процесс, требующий много времени и энергии.

"Наша техника быстрее, проще и требует меньше энергии".

Новый метод основан на воздействии 120-ваттного лазера на поверхность жидкого полимерного прекурсора в инертной среде, такой как вакуумная камера или камера, заполненная аргоном. Лазер спекает жидкость, превращая ее в твердую керамику. Это может быть использовано двумя различными способами.

Во-первых, жидкий прекурсор может быть нанесен в качестве покрытия на нижележащую конструкцию, такую как углеродные композиты, используемые в гиперзвуковых технологиях, таких как ракеты и аппараты для исследования космоса. Прекурсор может быть нанесен на поверхность конструкции и затем спечен с помощью лазера.

"Поскольку процесс спекания не требует подвергать всю конструкцию воздействию тепла печи, новая технология обещает позволить нам наносить керамические покрытия при сверхвысоких температурах на материалы, которые могут быть повреждены при спекании в печи", - говорит Сюй.

Второй способ, которым инженеры могут использовать новую технологию спекания, - это аддитивное производство, также известное как 3D-печать. В частности, метод лазерного спекания может быть использован в сочетании с технологией, аналогичной стереолитографии.

В этом методе лазер устанавливается на столе, который находится в ванне с жидким прекурсором. Чтобы создать трехмерную структуру, исследователи создают цифровой дизайн структуры, а затем "разрезают" эту структуру на слои. Для начала лазер рисует профиль первого слоя структуры в полимере, заполняя профиль, как будто раскрашивая картинку. Когда лазер "заполняет" эту область, тепловая энергия преобразует жидкий полимер в керамику. Затем стол опускается еще немного в полимерную ванну, и лезвие проходит по столешнице, выравнивая поверхность. Затем лазер спекает второй слой структуры, и этот процесс повторяется до тех пор, пока у вас не получится готовое изделие из спеченной керамики.

"На самом деле было бы немного упрощением сказать, что лазер только спекает жидкий прекурсор", - говорит Сюй. "Точнее было бы сказать, что лазер сначала преобразует жидкий полимер в твердый полимер, а затем преобразует твердый полимер в керамику. Однако все это происходит очень быстро - по сути, это одноэтапный процесс".

В ходе проверки концепции исследователи продемонстрировали, что технология лазерного спекания позволяет получать кристаллический, фазово чистый ГФУ из жидкого полимерного прекурсора.

"Мы впервые знаем, где кому-то удалось создать ГФУ такого качества из жидкого полимерного прекурсора", - говорит Сюй. - А сверхвысокотемпературная керамика, как следует из названия, полезна для широкого спектра применений, где технологии должны выдерживать экстремальные температуры, такие как производство ядерной энергии".

Исследователи также продемонстрировали, что лазерное спекание может быть использовано для создания высококачественных HfC-покрытий из углеродных композитов, армированных углеродным волокном (C/C). По сути, керамическое покрытие приклеилось к основной структуре и не отслаивалось.

"Покрытия HfC на C/C подложках продемонстрировали сильную адгезию, равномерное покрытие и потенциал для использования в качестве термозащитного и стойкого к окислению слоя", - говорит Сюй. "Это особенно полезно, поскольку, в дополнение к гиперзвуковым применениям, углерод / углеродные структуры используются в ракетных соплах, тормозных дисках и аэрокосмических системах тепловой защиты, таких как носовые обтекатели и передние кромки крыла".

Новый метод лазерного спекания также значительно эффективнее обычного спекания по нескольким параметрам.

"Наша технология позволяет нам создавать керамические структуры и покрытия при сверхвысоких температурах за секунды или минуты, в то время как обычные методы требуют часов или дней", - говорит Сюй. "А поскольку лазерное спекание происходит быстрее и с высокой степенью локализации, оно потребляет значительно меньше энергии. Более того, наш подход обеспечивает более высокую урожайность. В частности, лазерное спекание превращает по меньшей мере 50% массы исходного материала в керамику. Традиционные подходы обычно преобразуют только 20-40% прекурсора.

"Наконец, наша методика относительно портативна", - говорит Сюй. "Да, это должно быть сделано в инертной среде, но транспортировка вакуумной камеры и оборудования для аддитивного производства намного проще, чем транспортировка мощной крупногабаритной печи.

"Мы взволнованы этим достижением в области керамики и открыты для сотрудничества с государственными и частными партнерами по внедрению этой технологии в практические приложения", - говорит Сюй.

Статья "Синтез карбида гафния (HfC) путем одностадийного селективного лазерного пиролиза из жидкого полимерного прекурсора" опубликована в журнале Американского керамического общества. Соавтором статьи является Тиганг Фанг, профессор механики и аэрокосмической инженерии в университете Северной Каролины. Первым автором статьи является Шалини Раджпут, постдокторский исследователь из университета Северной Каролины. Соавтором статьи был Каушик Нонавинакере Винод, аспирант университета Северной Каролины.

Исследование было проведено при поддержке Центра аддитивного производства усовершенствованной керамики, который базируется в Университете Северной Каролины в Шарлотте.