氮化硅(Si3N4)是硅和氮的無機(jī)非金屬化合物,具有優(yōu)越的耐高溫、耐腐蝕、耐磨性、高抗彎強(qiáng)度、高冷熱沖擊等性能,能夠被應(yīng)用于高要求的極端運(yùn)作環(huán)境中,被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料之一。常常用來制造軸承、氣輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件。
氮化硅的這些性能足以與高溫合金相媲美。但作為高溫結(jié)構(gòu)材料,它也存在抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度低,容易發(fā)生脆性斷裂等缺點(diǎn),在加工上有較大的難度和局限。同時(shí),一般的減材加工方式對(duì)于刀具磨損大,樣件易開裂,整個(gè)加工工藝復(fù)雜且代價(jià)高昂。正因如此,氮化硅陶瓷3D打印的推廣和應(yīng)用有望成為整個(gè)增材行業(yè)中極具吸引力的關(guān)注點(diǎn)。
PEP技術(shù)助力高性能氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷制造
升華三維作為一直專注于金屬/陶瓷間接3D打印裝備及材料研發(fā)生產(chǎn)的增材制造企業(yè)。其中突出優(yōu)勢(shì)之一便是直擊氮化硅材料傳統(tǒng)制造的痛點(diǎn),粉末擠出打印技術(shù)(PEP)采用氮化硅粉體適配粘結(jié)劑開發(fā)顆粒喂料,通過3D打印機(jī)制備成型,再經(jīng)過粉末冶金的脫脂燒結(jié)工藝進(jìn)行后處理,從而獲得最終致密和性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)件。為高性能氮化硅陶瓷復(fù)雜結(jié)構(gòu)件提供更便捷的增材制造方法。
△升華三維氮化硅陶瓷顆粒材料及3D打印設(shè)備UPS-556
PEP工藝制備陶瓷的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:
采用了3D打印與陶瓷注射成型(CIM)相結(jié)合的工藝,可實(shí)現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)的高自由度設(shè)計(jì),且無需模具,可降低開發(fā)和生產(chǎn)成本;
具有低溫成型、高溫成性的特性,可獲得性能一致且致密的優(yōu)良產(chǎn)品;
相比傳統(tǒng)粉末冶金工藝,可以大大加快產(chǎn)品的開發(fā)與商業(yè)化時(shí)間,極大地縮短制造周期;
打印設(shè)備結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單,不需要昂貴的高能量激光設(shè)備,整體工藝可充分利用粉末冶金的前后處理設(shè)備,極大地減少了投入成本;
設(shè)備維護(hù)方便,采用顆粒材料,且打印材料可循環(huán)使用,可有效降低運(yùn)營成本;
△3D打印氮化硅渦輪(來源:升華三維)
升華三維作為中國金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)的開拓者,升華三維一直致力于先進(jìn)陶瓷增材制造的推廣及應(yīng)用。已從氮化硅原料、粘結(jié)劑選擇、燒結(jié)工藝適配等方面進(jìn)行全面探索,目前已具備了氮化硅陶瓷復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造能力,且性能優(yōu)異?蔀榈杼沾芍圃焯峁┩暾慕鉀Q方案。
氮化硅優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn),航空航天或成重要應(yīng)用領(lǐng)域
目前氮化硅陶瓷應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大,數(shù)據(jù)顯示,2019年全球氮化硅陶瓷市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到2.1億美元,同比上年增長5.5%,預(yù)計(jì)到2025年底市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3.1億美元。其中航空航天中的應(yīng)用占據(jù)最重要的地位,占需求總量的15%。
氮化硅在航空航天、高溫發(fā)動(dòng)機(jī)等高科技領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì):
航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域:是發(fā)展高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)理想材料,有望取代高溫合金;
航天領(lǐng)域:可用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)件、飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)等;
汽車工業(yè)領(lǐng)域:提高整車性能,減輕車身重量;
核電:可用于核電高溫部件及核燃料的包殼材料等。
△3D打印的氮化硅燃?xì)廨啓C(jī)漩渦葉片(來源:升華三維)
而氮化硅還在國防工業(yè)中發(fā)揮著極大的作用。利用氮化硅陶瓷的高硬度、高耐磨性可以制備陶瓷刀具、陶瓷軸承、防彈裝甲、閥門、耐磨襯里、密封環(huán);其耐高溫性可以制備高溫陶瓷熱交換器、汽車尾氣過濾器、燃?xì)廨啓C(jī)高溫過流部件;其透明性可以應(yīng)用在透明光管、導(dǎo)彈窗口上;其電絕緣性能和透微波性能可以用來做雷達(dá)天線罩等。
△3D打印氮化硅梯度結(jié)構(gòu)天線罩(來源:升華三維)
此外,氮化硅優(yōu)秀的抗菌和抗病毒能力,以及其優(yōu)異的生物相容性,在醫(yī)療領(lǐng)域也備受關(guān)注。可適用于牙科、骨科和顱頜面植入物領(lǐng)域。
△3D打印氮化硅人工椎體(來源:升華三維)
先進(jìn)陶瓷氮化硅迎來快速發(fā)展,前景可期
近年來我國高端制造業(yè)釋放出巨大活力,國防工業(yè)、航空航天等高端裝備領(lǐng)域迎來快速發(fā)展期,先進(jìn)陶瓷氮化硅成為了許多國家競(jìng)相發(fā)展的高科技材料,前景可期。氮化硅陶瓷的3D打印技術(shù)也將持續(xù)發(fā)展并完善,而隨著技術(shù)進(jìn)步和成本的降低,會(huì)逐步滲透到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。這將為氮化硅陶瓷市場(chǎng)帶來新的增長點(diǎn)。
△3D打印多孔氮化硅TEM載網(wǎng)(來源:升華三維)
升華三維也將順應(yīng)時(shí)代發(fā)展,進(jìn)一步加快研發(fā)創(chuàng)新,通過自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)制備出高要求的氮化硅產(chǎn)品,幫助用戶提升高端裝備的研發(fā)速度,降低制造成本,迎接3D打印高端應(yīng)用的“藍(lán)!保瑸閲、航天等事業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。