近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所陳健副研究員提出高溫熔融沉積3D打印結合反應燒結制備高固含量SiC陶瓷的新方法，成功制備出力學性能接近于傳統(tǒng)方法制備反應燒結的SiC陶瓷。相關研究成果發(fā)表在《Additive Manufacturing》，并申請中國發(fā)明專利2項。
碳化硅陶瓷的應用與傳統(tǒng)制造難點
碳化硅陶瓷是一種具有高強度、高硬度、高熱導率、高化學穩(wěn)定性等優(yōu)異性能的陶瓷材料，被廣泛應用于航空航天、微電子、汽車工業(yè)、核工業(yè)等領域。近年來，汽車工業(yè)、航空航天等領域都對大尺寸、復雜結構的零部件有強烈的需求。 

目前對各種復雜結構形狀SiC陶瓷需求急劇增加，傳統(tǒng)的制造方法復雜、耗時、模具設計制作周期長。由于其極高的硬度和脆性，導致其加工極其困難。刀具不僅磨損嚴重，而且還可能產(chǎn)生裂紋等缺陷，難以達到良好的表面質量和尺寸精度。基于以上缺點，結合3D打印技術的SiC陶瓷制備技術成為目前研究和應用的主要發(fā)展方向，能良好地解決傳統(tǒng)陶瓷材料復雜形狀難成型、難加工，制作周期長、成本高的問題。
主流3D打印工藝制造SiC陶瓷的不足
當前，3D打印工藝制造陶瓷的技術種類主要包括SLS (激光粉末燒結)、DIW（直接墨水書寫）、SLA (光固化)、和BJ (粘結劑噴射)以及FDM（熔融擠出），上海硅酸鹽所的科研人員對這幾種的陶瓷3D打印技術進行了測試與認證。 

與金屬3D打印不同的是，陶瓷材料不能通過激光加熱陶瓷粉末直接打印。直接SLS制件在燒結過程中產(chǎn)生的熱應力難以避免產(chǎn)生裂紋，導致產(chǎn)品力學性能較差。
直接墨水書寫（DIW）技術是將陶瓷粉末與各種有機物混合，制成陶瓷墨水，然后通過打印機將其打印到成形平面上形成陶瓷坯體。目前，該技術的難點是墨水中的固相含量太低，這會導致陶瓷坯體致密度較低。 

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，是當前主流的陶瓷3D打印工藝，但由于碳化硅的高吸光度、高折射率，限制了漿料的固化厚度、固含量等參數(shù)。
粉體熔融沉積成型(FDM)3D打印技術在傳統(tǒng)熔融沉積方法的基礎上，采用粉體混煉然后擠出機構3D打印制備SiC陶瓷，該方法具有以下優(yōu)點：可粉體打印，原料制備方便；在常溫狀態(tài)下，粘接劑粘結力強；在高溫狀態(tài)下，粘接劑流動性好；在打印過程中可以通過溫控消除應力；打印樣品在常溫下強度大；打印產(chǎn)品可常壓燒結制備或反應燒結制備SiC陶瓷；打印料可循環(huán)利用。
BJ工藝可以快速打印復雜形狀，同時保持打印精度。然而，BJ工藝限制了粉末的填充密度，導致SiC體積分數(shù)受限。 

研究團隊對比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的3D打印方法制備陶瓷材料，往往有機物含量較高，有利于打印成型，而陶瓷固含量相對較低，采用常壓燒結方法一般材料難以達到高致密度，而SiC反應燒結是通過浸滲的熔融硅與坯體內的碳反應，將坯體中的SiC顆粒結合起來，從而實現(xiàn)陶瓷致密化。相比于常壓燒結和熱壓燒結等常規(guī)方法，更容易實現(xiàn)材料致密化，同時反應燒結具有燒結溫度低、燒結前后尺寸變化小等特點。
國產(chǎn)3D打印方案為高固相含量SiC陶瓷打印帶來可能
如能實現(xiàn)SiC陶瓷大尺寸、輕量化、一體化制造顯然是更好的選擇。作為國內金屬/陶瓷擠出3D打印工藝的制造商——升華三維給出了解決方案——大尺寸獨立雙噴嘴打印機UPS-556系統(tǒng)。
PEP技術是3D打印+粉末冶金”相結合的金屬/陶瓷間接3D打印技術，是Powder Extrusion printing的簡稱。研究團隊使用PEP技術實現(xiàn)了高固含量SiC陶瓷材料的3D打印，結合反應燒結制備出致密高強的SiC陶瓷材料，從而解決SiC陶瓷材料復雜形狀難加工，制作周期長的問題。 

利用UPS-556系統(tǒng)，PEP技術將熱加工過程轉移到燒結步驟，這使得更容易管理熱應力，因燒結溫度低于其他類型的直接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。
UPS-556采用獨立雙噴嘴設計，可以同時打印或者各自輪流打印金屬和陶瓷不同種類材料的復合產(chǎn)品開發(fā)，實現(xiàn)復雜結構和產(chǎn)品的快速成形，大大節(jié)省了產(chǎn)品打印時間，具有操作簡單、工業(yè)型、高精度、高質量、高性價比等優(yōu)點。再結合反應燒結制備工藝在復雜結構碳化硅陶瓷產(chǎn)品近凈尺寸成型方面形成了巨大優(yōu)勢，從而提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本，為制造復雜結構陶瓷提供了新的工藝方案。
近日，該研究團隊提出了高溫熔融沉積結合反應燒結制備SiC陶瓷新方法。該方法采用高溫原位界面修飾粉體，低溫應力緩釋制備出高塑性打印體，獲得了低熔點高沸點的高塑性打印體，材料固含量超過60vol%；之后對塑性體進行高密度疊層打印，打印的陶瓷樣品脫脂后等效碳密度可調控至0.80 g·cm-3，同時對陶瓷打印路徑進行拓撲優(yōu)化設計，可在樣品中形成樹形多級孔道；陶瓷樣品無需CVI或PIP處理直接反應滲硅燒結后實現(xiàn)了低殘硅/碳的高效滲透和材料致密化，SiC陶瓷密度可達3.05±0.02 g·cm-3，三點抗彎強度為310.41±39.32 MPa，彈性模量為346.35±22.80 GPa，陶瓷力學性能接近于傳統(tǒng)方法制備反應燒結SiC陶瓷。 

相關研究成果發(fā)表在《Additive Manufacturing》，并申請中國發(fā)明專利2項。該方法有望實現(xiàn)低成本、高效率的復雜結構陶瓷產(chǎn)品近凈尺寸成型技術的工業(yè)化應用。同時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。
注：本文內容參考自研究團隊已公開專利及中科院上海硅酸鹽所公眾號。

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