近日，美国能源部（DOE）橡树岭国家实验室（英语：Oak Ridge National Laboratory，缩写为ORNL）利用中子成像技术研究观测碳化硅（SiC）的制造过程。碳化硅是一种陶瓷材料，可应用于核工业、防弹装甲以及航天器零部件领域。碳化硅兼具高温强度、抗氧化性能与耐辐照性能，综合性能优异，是极端环境工况下极具价值的候选材料。
图 熔渗处理后的试样照片
橡树岭国家实验室制造示范中心（MDF）、散裂中子源（SNS）VENUS 装置科研团队，以及田纳西大学诺克斯维尔分校（UTK）的研究人员，借助美国能源部散裂中子源的中子成像技术，实现对该材料成型过程的实时观测。这项研究有望开发出更轻、强度更高的装甲，以及可耐受极端高温、服役寿命更长的航天器构件。
造示范中心陶瓷工艺工程师 Corson Cramer 表示：“本项研究的核心目标，是深入理解材料在相变过程中的行为规律。我们不仅在挑战材料本身的性能极限，同时也在突破材料测试与表征手段的技术边界。”
研究团队采用粘结剂喷射增材制造工艺制备试样，随后将试样放入炉内实施熔渗处理；该工艺中第二种液相材料渗入多孔坯体内部，最终形成致密陶瓷复合材料。能够直接观测熔渗这一步骤具有十分关键的意义。材料最终性能取决于制备工艺，但炉腔内部发生的物理化学变化以往很难直接观测。
图 橡树岭国家实验室散裂中子源 VENUS 装置内部实拍
研究团队选择针对碳化硅熔渗工艺开展研究，是因为该技术是工业化可放大、已实现商业化的主流工艺之一。
田纳西大学诺克斯维尔分校材料科学与工程系、田纳西太空研究所助理教授Dustin Gilmer谈道：“很多企业在实际生产中都在使用该工艺，是制备碳化硅非常成熟的手段。我们选择研究该工艺，就是希望把过程机理研究透彻 —— 大多数情况下，人们并不清楚材料在炉体内部究竟发生了哪些变化。”
在炉内升温条件下，材料会持续发生物态与微观结构转变。以往很难捕捉这些动态变化，因此难以解释工艺过程中出现的各类异常，例如微小缺陷、产品性能一致性差等问题。
同步辐射 X 射线常被用于研究这类相变过程，但科研团队希望获得试样内部不同的成像衬度，实现碳化硅基体中硅熔渗行为的实时观测。为此，研究人员采用橡树岭国家实验室 VENUS 设备的中子成像技术，开展动力学过程测量，获取该工艺的高光谱二维射线成像数据。
Cramer指出：“采用 X 射线观测碳化硅这类陶瓷材料时，会遇到穿透成像方面的局限。我们希望找到新手段，搞清楚陶瓷材料加工过程的内部演化；中子成像恰好可以提供我们所需要的成像衬度，把内部变化直观呈现出来。”
VENUS 首席中子散射科学家Hassina Bilheux表示：“材料内部变化的发生速度极快。过去我们只能拿到处理前、处理完成后的两组对比数据，无法直接看到中间的转变过程，大量关键信息就此缺失。有了实验实测数据，就可以开展大量仿真建模，解析试样的演化机理。”
该项目目前仍在持续推进。如果实验数据得到明确结论，团队计划围绕熔渗工艺开展更多试验，进一步拆解工艺过程、深化机理认知。这项成果有望赋能诸多实际应用场景，例如研发高强度装甲，同时控制自重，避免给穿戴者带来过重负担。除推动 3D 打印陶瓷技术发展以外，橡树岭国家实验室的中子科学研究助力多项突破性成果，支撑超级智能、量子技术、高可靠性能源系统等关键领域。
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