宾夕法尼亚州立大学获450万美元，新激光加工技术助力低温制造高性能陶瓷

2024年10月，南极熊获悉，宾夕法尼亚州立大学宣布了一项突破性的激光加工技术，此技术有望在较低温度条件下实现高性能陶瓷的3D打印制造。此项目由宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程副教授Robert Hickey和密歇根州立大学教授Michael Hickner共同领导，得到了美国国防部（DoD）通过海军研究办公室（ONR）提供的为期五年、总额达450万美元的多学科大学研究计划（MURI）资助。


△Robert Hickey

项目背景与目标
项目名为“前陶瓷聚合物的光化学与光热增材制造”，旨在开发一种无需整体加热即可生产超高温陶瓷材料的新工艺。当前，陶瓷材料的成型面临的主要挑战在于需要高温和大量能量，这不仅增加了成本，也限制了其在3D打印中的应用。Hickey教授表示：“这一过程一直是阻碍3D打印发展的主要因素，因为现有的技术难以确保材料在高温下的精确度。”

技术创新点
研究团队计划利用光能替代传统热能，通过高强度激光引发化学反应，使聚合物前体分子快速固化成为陶瓷材料。这种方法不仅减少了材料的损耗，还避免了因高温处理而导致的几何形状变化，从而实现了更精准的3D打印。Hickey教授补充道：“我们希望通过这项技术减少转换或制造这些陶瓷所需的能量，并防止打印和加工过程中出现的重大几何变化。”

团队组成与合作
除了宾夕法尼亚州立大学和密歇根州立大学，该项目还吸引了来自麻省理工学院（MIT）和南加州大学（USC）的顶尖研究人员加入。MURI计划旨在支持跨学科的研究团队，针对与国家安全紧密相关的高优先级问题开展研究。项目联合首席研究员Benjamin Lear教授认为，此次获得的资金对于组建这样一支世界级团队至关重要，成员们拥有独特的技能组合，并在各自的领域内展现出卓越的能力。

潜在影响与展望
此项技术的成功开发预计将对国防工业产生重要影响，尤其是在先进高超音速飞行器的研发中。通过3D打印技术制造出能够在极端环境下工作的新型陶瓷材料，将为下一代航空航天器的设计打开新的可能性。宾夕法尼亚州立大学机械工程系杰出教授Adri van Duin表示：“该项目不仅会为增材制造陶瓷材料开辟新路径，还将建立新的计算模型来预测高能反应中间体，这对于设计新的前体材料和加工方案具有重要意义。”

此外，项目组还包括宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程学教授Jon-Paul Maria、南加州大学化学工程与材料科学教授Priya Vashishta、计算机科学教授Aiichiro Nakano以及麻省理工学院化学教授Alexander Radosevich等多位专家学者。他们将共同致力于合成新型前体材料，探索促进光基陶瓷转化的方法，并通过计算建模获得对反应转化途径的深刻理解，最终实现高性能陶瓷材料的高效、低成本制造。