在激光烧结纳米颗粒过程中进行原位高速近红外成像以实现时空分辨温度测量

实时观察材料的升温过程

从3D打印金属零件到下一代电子器件，许多先进技术依赖激光将微小颗粒熔合为坚固耐用的材料。但在这些闪电般快速的过程中，最关键的量——材料的实际温度——在空间和时间上一直难以测量。该研究介绍了一种紧凑的成像系统，能够在不到千分之一秒的时间尺度上观测微米级热点的温度升降，为更好地控制高性能材料的制造打开了大门。

为何微小热点至关重要

激光烧结通过将光束聚焦到粉床或粉丸上，使颗粒受热、熔合并致密化为固体。尤其是对于二氧化钛等半导体和氧化物纳米颗粒，最终的晶粒尺寸、孔隙甚至裂纹由仅仅几毫秒和几微米尺度内的精确温度历程决定。温度过低，材料仍然多孔；温度过高或持续时间过长，则可能出现裂纹甚至材料去除。传统红外相机常常在速度或空间分辨率上无法捕捉这些微小热点中的过程，热电偶也无法直接放置在活动区域。因此，作者转向近红外光与高速相机，以实现对样品的非接触温度追踪。

将热辉转化为温度图

任何热物体都会在红外范围发光，在激光烧结相关的高温下，这种热辐射有相当一部分落在刚超出可见红光的近红外范围。团队改装了一台基于硅传感器的商用高速相机，去除了其内置滤镜，并配备了为近红外光优化的显微物镜。一个长通滤光片阻挡可见光和紫外光——包括激光本体及任何荧光——从而使相机仅记录来自被加热材料的热辐射。为了将亮度转换为实际温度，他们使用在陶瓷盘上加热的二氧化钛圆片进行了精心标定，同时用热电偶和光学高温计追踪温度。通过将标准辐射计方程拟合到这些数据上，获得了一条将每个像素强度转换为温度的曲线，其精度适合在约600 °C到900 °C范围内以每秒千帧以上的速度测量。

聚焦快速且微小的热点

显微光学系统提供了优于10微米的空间分辨率——足以分辨约9微米的激光斑点在试样上的形貌。用经校准的显微标尺进行的测试表明，即使相机以45度角观察样品，相距仅10微米的特征也能清晰区分。与此同时，相机能以每秒超过一千帧的速率记录全帧图像，在减小视场时甚至能达到近一万六千帧每秒。这种组合使研究者在对二氧化钛纳米颗粒进行共振紫外激光烧结时，能够在改变激光功率和脉冲时长的同时，观察热点温度随时间的演化。

热如何塑造最终材料

借助已校准的系统，团队测量了热点温度对不同功率和时长激光脉冲的响应。他们发现：在暴露的最初毫秒内温度极为迅速地上升，随后略有下降并达到一个在余下脉冲期间维持的平台温度，而当激光关闭后又出现同样迅速的冷却。通过调节激光功率可以抬高或降低平台温度；通过改变脉冲长度可以控制材料保持高温的时间。在高功率实验中，估算的加热和冷却速率达到了每秒百万度级别。烧结斑点的扫描电子显微图像显示，这些温度—时间曲线直接对应于微观结构：中等功率产生近乎致密的区域，而更高功率引入孔隙、波纹，并最终出现裂纹甚至材料去除的迹象。致密化的空间范围与经历过最高测量温度的区域相匹配。

通向快速制造的新窗口

通俗地说，作者们构建了一台高速热“显微镜”，能够在激光将纳米颗粒熔合成固体的过程中，实时观察材料微小区域的升温与降温。将这些细致的温度影像与最终内部结构关联后，该工作展示了制造商如何像旋钮一样调节激光功率和时序，以实现期望性能同时避免损伤。由于该系统紧凑、基于现成组件且能在很高温度下工作，它可以集成到各种基于激光的制造装置中，甚至与X射线设备结合使用。最终，这一方法使我们更接近按需制造的材料，其结构可通过毫秒和微米级的精度来塑造。

引用: Schulte, J., Schroer, M.A. & Winterer, M. Operando high speed near infrared imaging during laser sintering of nanoparticles for time and space resolved temperature measurements. Sci Rep 16, 8158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37445-7

关键词: 激光烧结, 近红外成像, 高速热成像, 纳米颗粒, 增材制造