上海硅酸盐所在3D打印碳化硅陶瓷领域取得新进展

      碳化硅（SiC）陶瓷材料具有低密度、优异的力学与热学性能、良好的热氧与化学稳定性等优异性能，在航空航天、装甲、空间反射镜、核能、化工及半导体等国防与工业重大领域中得到了广泛应用。通常，国防与工业应用场合要求使用复杂形状的碳化硅陶瓷材料制品，这给制造带来了极大难题与挑战。

       SiC陶瓷材料在国防与工业重大领域中的广泛应用 传统SiC陶瓷成型工艺包括等静压、流延成型、注射成形、注浆成型、凝胶注模等，通常采用模具辅助成型，烧结后还需进行机加工处理得到所需SiC产品。近年来，轻量化空间光学反射镜等高性能SiC构件的复杂度越来越高，对陶瓷成型工艺提出了更高的要求。然而，传统成型工艺常需借助模具，在制备复杂轻量化SiC构件时周期长、成本高，且大尺寸构件通常需通过拼接方法获得，导致废品率高，某些内部复杂结构很难甚至无法制造。3D打印技术无需模具，其采用逐层叠加制造的原理，理论上可整体成形任意复杂结构，是实现复杂陶瓷构件整体化、轻量化、复杂化成型的有效途径。

      熔融沉积3D打印技术，是以SiC线材为原料的碳化硅陶瓷熔融沉积成型直接增材制造技术。首先通过特定的工艺，将SiC陶瓷粉体与高分子材料混炼、拉制成一定直径的热塑性的聚合物陶瓷线材。接下来将制备的SiC线材置于FDM设备，经设备加热后的喷头挤出，热塑性的SiC线材熔融沉积到设备成型平台上，温度降低固化成型。成型台下降，循环熔融沉积后成型出SiC陶瓷材料生坯，经后续高温脱脂排胶、烧结后获得SiC陶瓷材料及其制品。

     近日，中国科学院上海硅酸盐研究所黄政仁研究员团队陈健副研究员首次提出高温熔融沉积结合反应烧结制备SiC陶瓷新方法。 该方法采用高温原位界面修饰粉体，低温应力缓释制备出高塑性打印体，获得了低熔点高沸点的高塑性打印体，材料固含量超过60vol%。之后对塑性体进行高密度叠层打印，打印的陶瓷样品脱脂后等效碳密度可精确调控至0.80g·cm-3，同时对陶瓷打印路径进行拓扑优化设计，可在样品中形成树形多级孔道；最终陶瓷样品无需CVI或PIP处理直接反应渗硅烧结后实现了低残硅/碳的高效渗透和材料致密化，SiC陶瓷密度可达3.05±0.02g·cm-3，三点抗弯强度为310.41±39.32MPa，弹性模量为346.35±22.80GPa，陶瓷力学性能接近于传统方法制备反应烧结SiC陶瓷。

      相关研究成果发表在Additive Manufacturing（http://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102994），申请中国发明专利2项，同时该塑性体打印方法避免了微重力条件下粉体打印潜在的危害，为未来空间3D打印提供了可能。