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doi.org/10.1016/j.addma.2022.102994

近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所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。成功制備出力學(xué)性能接近于傳統(tǒng)方法制備反應(yīng)燒結(jié)的SiC陶瓷。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Additive Manufacturing》，并申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)。

碳化硅(SiC)陶瓷由于其低密度、高剛度、低熱膨脹、高光學(xué)質(zhì)量和優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、集成電路等領(lǐng)域。但碳化硅陶瓷的硬度高、脆性大，在加工過(guò)程中易產(chǎn)生缺陷，像復(fù)雜幾何形狀的碳化硅陶瓷構(gòu)件往往難以用傳統(tǒng)的加工技術(shù)制造，這在很大程度上制約了復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷的應(yīng)用。

碳化硅陶瓷的廣泛應(yīng)用

隨著光學(xué)元件孔徑的增大，碳化硅光學(xué)元件與支撐結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)將導(dǎo)致碳化硅光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，這是采用傳統(tǒng)的陶瓷成型燒結(jié)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。迫切需要開(kāi)展復(fù)雜形狀碳化硅光學(xué)元件的制造新技術(shù)、新工藝的研究，實(shí)現(xiàn)空間遙感光學(xué)探測(cè)用低面積密度碳化硅光學(xué)結(jié)構(gòu)集成元件的制備?；诖?，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所陳健副研究員在研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)SIC陶瓷制備方法時(shí)，發(fā)現(xiàn)增材制造(AM)技術(shù)在設(shè)計(jì)和制造中具有靈活控制的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使制造具有復(fù)雜形狀的碳化硅陶瓷成為可能。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)研，了解到SLS (激光粉末燒結(jié))、SLA (光固化)、DIW（直接墨水書(shū)寫(xiě)）和BJ (粘結(jié)劑噴射)是碳化硅陶瓷3D打印領(lǐng)域中被廣泛研究的知名3D打印技術(shù)?？蒲腥藛T對(duì)這幾種的陶瓷3D打印技術(shù)進(jìn)行了測(cè)試與認(rèn)證，與金屬3D打印不同的是，陶瓷材料不能通過(guò)激光加熱陶瓷粉末直接打印。直接SLS制件在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力難以避免產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致最終產(chǎn)品力學(xué)性能較差。而SLA是一種基于光敏陶瓷漿料光聚合的有效紫外光固化技術(shù)。對(duì)于碳化硅粉末，其顏色通常為灰色或深色，碳化硅顆粒的顏色明顯影響其透光性能和固化能力。而DIW通過(guò)噴嘴以特定圖案逐層擠出高陶瓷含量的漿料，以生產(chǎn)三維零件。要求漿料均勻、穩(wěn)定、剪切稀化、不結(jié)塊。同時(shí)，還需要具有快速固化能力，特別是對(duì)于無(wú)支撐的斜面印刷，與上述SLA和SLS相比，打印精度一直是一個(gè)問(wèn)題。BJP可以快速打印復(fù)雜形狀，同時(shí)保持高打印精度。然而，BJ限制了粉末填充密度，導(dǎo)致SiC體積分?jǐn)?shù)受限。采用SLS或BJ方法制備高密度SiC陶瓷時(shí)，會(huì)加入PIP、CVI和CIP等后處理工藝步驟，提高固含量和碳密度，這勢(shì)必會(huì)降低3D打印的優(yōu)勢(shì)。

PEP技術(shù)工藝流程

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，上述3D打印技術(shù)都存在一定的不足。如能實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷大尺寸、輕量化、一體化制造顯然是更好的選擇，但該團(tuán)隊(duì)如何找到一個(gè)專(zhuān)為自己的要求而建立的獨(dú)特解決方案呢？然而，答案就在眼前。一年前，上海硅酸鹽研究所就在升華三維訂購(gòu)了一套大尺寸獨(dú)立雙噴嘴打印機(jī)UPS-556系統(tǒng)，希望采用升華三維PEP技術(shù)針對(duì)高性能結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料等應(yīng)用進(jìn)行研究。

該團(tuán)隊(duì)在3D打印碳化硅陶瓷結(jié)構(gòu)件時(shí)利用UPS-556系統(tǒng)，他們很快發(fā)現(xiàn)了PEP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，PEP技術(shù)將熱加工過(guò)程轉(zhuǎn)移到燒結(jié)步驟，這使得更容易管理熱應(yīng)力，因燒結(jié)溫度低于其他類(lèi)型的直接3D打印工藝中所需的完全熔化溫度，并且熱量可以更均勻地施加，從而確保了產(chǎn)品性能的一致性。而UPS-556采用獨(dú)立雙噴嘴設(shè)計(jì)，可以同時(shí)打印或者各自輪流打印金屬和陶瓷不同種類(lèi)材料的復(fù)合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的快速成形，大大節(jié)省了產(chǎn)品打印時(shí)間，具有操作簡(jiǎn)單、工業(yè)型、高精度、高質(zhì)量、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。再結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備工藝在復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷產(chǎn)品近凈尺寸成型方面形成了巨大優(yōu)勢(shì)，從而提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本，為制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷提供了新的工藝方案。

SiC陶瓷3D打印示意圖

近日，該團(tuán)隊(duì)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(guò)60vol%；之后通過(guò)3D打印機(jī)UPS-556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0.80 g·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(shù)形多級(jí)孔道；最終陶瓷樣品無(wú)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±0.02 g·cm^-3, 三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為310.41±39.32 MPa，彈性模量為346.35±22.80 GPa，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。

不同形狀尺寸的SiC陶瓷

經(jīng)加工的~200mm 3D打印SiC陶瓷

相關(guān)研究成果發(fā)表在《Additive Manufacturing》，并申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)。該方法有望實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品近凈尺寸成型技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。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(lái)空間3D打印提供了可能。

注：本文內(nèi)容參考自研究團(tuán)隊(duì)已公開(kāi)專(zhuān)利及中科院上海硅酸鹽所