两种SiC陶瓷3D打印新方法
碳化硅(SiC)具有良好的抗热震性和化学稳定性，因此在高温和极端条件下具有良好的应用前景，在工程陶瓷领域具有广泛的应用，如轴承、燃气轮机和以及换热器等。但SiC陶瓷很难加工，特别是复杂器件形状面临着诸多挑战。此外， SiC陶瓷材料成型过程中会出现缺陷，比如气孔、裂纹、不均一性等，成型陶瓷器件难以抵抗脆性断裂，极大的限制了其机械性能。同时，这也限制了我们充分利用碳化硅材料耐高温、耐腐蚀等的优异性能。但是新的3D打印陶瓷技术不仅解决了SiC粉末材料难以制备复杂陶瓷器件的难题，而且可以解决陶瓷材料成型时出现缺陷的问题。该技术首先将SiC有机陶瓷先驱体进行改性引入巯基、乙烯基、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯等，就可以得到可以紫外固化的液态光敏树脂单体；其次对这种树脂单体进行光固化3D打印，打印出各种形状的产品；最后经过高温烧结即可得到所需陶瓷器件。美国HRL实验室S. van Velzen等在Science上发表了关于3D打印陶瓷先驱体制备陶瓷器件的文章，多孔陶瓷制备过程如下图所示。第一种技术立体光刻（SLA），该技术是一层一层（每层厚度在30-100μm）固化打印，逐层累积，打印成型。虽然这种技术可以打印出任何形状的树脂产品，但是每30-100μm的厚度需要一层层曝露在紫外光下，速度太慢。此外，逐层叠加还会形成阶梯结构，这个阶梯结构会作为应力集中点，影响打印器件的机械性能。第二种是自传输的光敏聚合物波导技术（SPPW）。该技术要求液相与固相折射率差不小于0.04。在光固化3D打印时，光可以在树脂光固化时引发内部反射，并且有光自聚焦效应或者隧道效应，使光一直在隧道的最前端，进而使聚合物更快更深层次的固化，并且固化后表面平整光滑。这种打印速度相对SLA技术可以提高到100-1000倍。这种技术成型过程不会如SLA成型时引入阶梯结构，烧结时的温度梯度可以通过打印出的微晶结构控制，从而陶瓷烧结成型时呈现均一性收缩，使陶瓷的形状在烧结时可以保持较好。把SiC粉以及碳粉分散在粘结剂中作为材料，用安装在六轴机械臂上的喷嘴挤出堆积成形，在700℃高温热解和1850 ℃高温热处理后，采用液态硅渗透技术对样品进行渗透，获得致密的近净形RBSC结构。利用直径为1.5 mm和 0.5 mm的喷嘴打印出如图所示的网格微观结构，具有不错的精度。1.5mm（a）和0.5mm（b）喷嘴打印的网格结构从CAD模型到打印出一个结构，再对其进行热解和反应烧结，该过程证明了该工艺能够成形复杂形状，并具有良好的结构稳定性和近净成形能力，如下图。
CAD模型、成形件及渗硅件样品的微观图像如下图，经热解除去有机物后， SiC与C颗粒清晰可见，随后经过渗硅处理，Si与C反应生成新的SiC使微观结构变得致密，最后用酸蚀除去残余的Si，整个过程中，微观结构均匀性较好。样品的杨氏模量为356.3±7.9 GPa，与其他文献报道的20vol%残留硅的反应烧结碳化硅相当，还具有19.8 GPa的维氏硬度，能与传统工艺生产的反应结合碳化硅相媲美，但经四点弯曲试验得到的弯曲强度为224.4±86.0 MPa，略低于其他文献报道的190 ~ 350 MPa。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2021-11-05
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