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碳化硅陶瓷制備工藝之PEP技術的發(fā)展方向及前景

升華三維 2024-10-11 | 閱讀：647

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碳化硅陶瓷材料具有良好的耐磨性、導熱性、抗氧化性及優(yōu)異的高溫力學性能等優(yōu)點。不僅在傳統(tǒng)工業(yè)領域獲得了廣泛應用，而且在半導體、核能、國防及空間技術等高科技領域的應用也在不斷拓展，應用前景十分廣闊。

碳化硅陶瓷的主要制備工藝及應用方向

碳化硅陶瓷在粉末的制備技術方面：溶膠－凝膠法、化學氣相法和高溫自蔓燃法合成三足鼎立；而在傳統(tǒng)成形技術方面：熱等靜壓、注漿成形、擠壓和注射成型得到了廣泛應用。

碳化硅是強共價鍵結合的化合物，燒結時的擴散速率相當?shù)?，導致其燒結致密化難度大，為此發(fā)展出了多種碳化硅的燒結制備技術。目前，較為成熟的工業(yè)化生產碳化硅陶瓷材料的主要方式有反應燒結、常壓燒結和重結晶燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結。此外，放電等離子燒結、閃燒、振蕩壓力燒結等新型燒結技術也得到了研究與發(fā)展。用到較多的為反應燒結、常壓燒結和重結晶燒結三種燒結技術，其所制備的碳化硅顯微結構和性能及應用領域也有不同。

不同燒結工藝制備的碳化硅陶瓷特點及應用方向：

反應燒結的燒結溫度低，生產成本低，制備的產品收縮率極小，致密化程度高，適合大尺寸復雜形狀結構件的制備，反應燒結碳化硅多用于高溫窯具、噴火嘴、熱交換器、光學反射鏡等方面。
常壓燒結的優(yōu)勢在于生產成本低，對產品的形狀尺寸沒有限制，制備的產品致密度高，顯微結構均勻，材料綜合性能優(yōu)異，所以更適合制備精密結構件，如各類機械泵中的密封件、滑動軸承及防彈裝甲、光學反射鏡、半導體晶圓夾具等。
重結晶碳化硅擁有純凈的晶相，不含雜質，且有較高的孔隙率、優(yōu)異的導熱性和抗熱震性，是高溫窯具、熱交換器或燃燒噴嘴的理想候選材料。

PEP制備碳化硅陶瓷的特點及工藝優(yōu)勢

而相比于傳統(tǒng)的成型技術，3D打印技術具有智能、無模、精密、高復雜度的制造能力，它能夠完成傳統(tǒng)工藝不可能完成的制造。而碳化物陶瓷沒有熔點，如碳化硅會在高溫下氧化成二氧化硅，或者是其他的氣體、激光的作用下直接分解，導致無法直接3D打印，需打印出一個素坯再去燒結。

升華三維通過獨創(chuàng)的粉末擠出打印技術（PEP）實現(xiàn)碳化硅陶瓷的近凈尺寸制備，且性能可達到甚至超越鑄造工藝。PEP技術是一種“3D打印+粉末冶金”相結合的金屬／陶瓷間接3D打印工藝，其合理避開了以激光為能量源的3D打印，采用顆粒熔融擠出成型方式。通過先打印生坯，然后再經過合理的燒結等工藝，得到性能優(yōu)良的碳化硅結構件。

PEP的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

采用打印與燒結分開的工藝模式，打印設備利用了螺桿擠出系統(tǒng)，不需要昂貴的高能量激光器件，能極大地減少3D打印設備投入成本。
PEP具有低溫成型、高溫成性的特性，可規(guī)避碳化硅陶瓷在制備過程中會出現(xiàn)比如氣孔、裂紋、不均一性等缺陷，能很大程度上實現(xiàn)高自由度結構的碳化硅陶瓷產品制造及應用。
PEP對主流的反應燒結、常壓燒結和重結晶燒結技術均具有高適配性，可充分利用原有工藝的脫脂燒結設備，節(jié)省工藝投入成本的同時，幫助傳統(tǒng)產業(yè)用戶快速實現(xiàn)增材制造的轉型升級。
相比傳統(tǒng)注射成型工藝，充分發(fā)揮了3D打印的優(yōu)勢，實現(xiàn)碳化硅陶瓷的快速制備，可加快產品的開發(fā)與商業(yè)化時間。
采用顆粒材料、無粉塵、不含有害物質，生坯可生新造料循環(huán)再使用，有效利用率高。

PEP工藝制備碳化硅陶瓷的發(fā)展方向及前景

PEP技術在制備碳化硅陶瓷方面具有顯著的優(yōu)勢，但同時隨著碳化硅應用領域的不斷擴展，對PEP工藝也提出更多挑戰(zhàn)。在碳化硅陶瓷制造中的發(fā)展方向主要包括：

材料創(chuàng)新：基于PEP工藝對材料的高適配性，快速開發(fā)新型碳化硅基復合材料，提高復合材料的力學性能和穩(wěn)定性，助力科研型客戶的新材料新技術開發(fā)；
裝備研發(fā)：研究和開發(fā)更高效、更大尺寸的PEP打印設備，以滿足航空航天、核工業(yè)等領域對大型復雜結構部件的需求；
工藝優(yōu)化：通過材料應用的深入、不斷優(yōu)化打印參數(shù)和后處理工藝，提高碳化硅陶瓷部件的精度、表面質量和力學性能；
應用拓展：深化PEP技術在現(xiàn)有如空間反射鏡、高溫爐具、熱交換器、晶圓載具等應用，繼續(xù)深挖在空間技術、核工業(yè)、國防、光伏半導體等領域的應用。

隨著工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展，對高性能陶瓷材料的需求不斷增長，特別是在航空航天、國防、新能源和半導體等領域。而隨著研究的深入和技術的成熟，PEP技術在碳化硅陶瓷制造中的應用將更加廣泛，能夠制造出更多復雜形狀和高性能的部件。PEP技術具成本效益優(yōu)勢，能夠縮短生產周期，降低生產成本，具有更高的材料利用率和更低的能耗，符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的趨勢。