中國粉體網(wǎng)訊  碳化硅（SiC）陶瓷材料具有低密度、優(yōu)異的力學(xué)與熱學(xué)性能、良好的熱氧與化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，在航空航天、裝甲、空間反射鏡、核能、化工及半導(dǎo)體等國防與工業(yè)重大領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。通常，國防與工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合要求使用復(fù)雜形狀的碳化硅陶瓷材料制品，這給制造帶來了極大難題與挑戰(zhàn)。

SiC陶瓷材料在國防與工業(yè)重大領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用

傳統(tǒng)SiC陶瓷成型工藝包括等靜壓、流延成型、注射成形、注漿成型、凝膠注模等，通常采用模具輔助成型，燒結(jié)后還需進(jìn)行機(jī)加工處理得到所需SiC產(chǎn)品。近年來，輕量化空間光學(xué)反射鏡等高性能SiC構(gòu)件的復(fù)雜度越來越高，對(duì)陶瓷成型工藝提出了更高的要求。然而，傳統(tǒng)成型工藝常需借助模具，在制備復(fù)雜輕量化SiC構(gòu)件時(shí)周期長、成本高，且大尺寸構(gòu)件通常需通過拼接方法獲得，導(dǎo)致廢品率高，某些內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)很難甚至無法制造。3D打印技術(shù)無需模具，其采用逐層疊加制造的原理，理論上可整體成形任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜陶瓷構(gòu)件整體化、輕量化、復(fù)雜化成型的有效途徑。

熔融沉積3D打印技術(shù)示意圖

熔融沉積3D打印技術(shù)，是以SiC線材為原料的碳化硅陶瓷熔融沉積成型直接增材制造技術(shù)。首先通過特定的工藝，將SiC陶瓷粉體與高分子材料混煉、拉制成一定直徑的熱塑性的聚合物陶瓷線材。接下來將制備的SiC線材置于FDM設(shè)備，經(jīng)設(shè)備加熱后的噴頭擠出，熱塑性的SiC線材熔融沉積到設(shè)備成型平臺(tái)上，溫度降低固化成型。成型臺(tái)下降，循環(huán)熔融沉積后成型出SiC陶瓷材料生坯，經(jīng)后續(xù)高溫脫脂排膠、燒結(jié)后獲得SiC陶瓷材料及其制品。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所黃政仁研究員團(tuán)隊(duì)陳健副研究員首次提出高溫熔融沉積結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備SiC陶瓷新方法。

該方法采用高溫原位界面修飾粉體，低溫應(yīng)力緩釋制備出高塑性打印體，獲得了低熔點(diǎn)高沸點(diǎn)的高塑性打印體，材料固含量超過60vol%。之后對(duì)塑性體進(jìn)行高密度疊層打印，打印的陶瓷樣品脫脂后等效碳密度可精確調(diào)控至0.80g·cm^-3，同時(shí)對(duì)陶瓷打印路徑進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，可在樣品中形成樹形多級(jí)孔道；最終陶瓷樣品無需CVI或PIP處理直接反應(yīng)滲硅燒結(jié)后實(shí)現(xiàn)了低殘硅/碳的高效滲透和材料致密化，SiC陶瓷密度可達(dá)3.05±0.02g·cm^-3，三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為310.41±39.32MPa，彈性模量為346.35±22.80GPa，陶瓷力學(xué)性能接近于傳統(tǒng)方法制備反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Additive Manufacturing（doi.org/10.1016/j.addma.2022.102994），申請(qǐng)中國發(fā)明專利2項(xiàng)，同時(shí)該塑性體打印方法避免了微重力條件下粉體打印潛在的危害，為未來空間3D打印提供了可能。

經(jīng)加工的~200mm3D打印SiC陶瓷

論文共同第一作者為上海硅酸鹽所碩士研究生李凡凡和博士研究生馬寧寧，通訊作者為陳健副研究員和黃政仁研究員。相關(guān)研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金面上、上海市自然科學(xué)基金面上等項(xiàng)目的資助和支持。

參考來源：

[1]上海硅酸鹽研究所

[2]王長順等.SiC陶瓷增材制造技術(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)展

[3]何汝杰等.SiC陶瓷材料增材制造研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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