中科院硅酸盐所顶刊丨高强度SiC陶瓷3D打印新进展及其挑战与机遇

碳化硅(SiC)陶瓷结构件在各类新应用场景的需求逐渐增多。例如，核工业领域的大尺寸复杂形状SiC陶瓷核反应堆芯；集成电路制造关键装备光刻机的SiC陶瓷工件台、导轨、反射镜、陶瓷吸盘、手臂等；新能源锂电池生产配套的中高端精密SiC陶瓷结构件；光伏行业生产用扩散炉配套高端精密SiC陶瓷结构件和电子半导体高端芯片生产制程用精密高纯SiC陶瓷结构件。

▲3D打印SiC陶瓷示意图

3D打印SiC陶瓷制备技术已成为目前SiC陶瓷研究和应用的发展方向之一。3D打印SiC陶瓷主要为反应烧结SiC陶瓷，多数密度低于2.95g·cm^-3，硅含量通常大于30vol%甚至高达50vol%。由于硅熔点低于1410℃，导致硅使用温度较低，限制了3D打印SiC陶瓷在半导体领域（如LPCVD）的应用场景。

▲图来源3D科学谷

               

               

3D打印SiC陶瓷领域的新进展                

               

               

中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室研究员黄政仁团队研究员陈健在前期提出高温熔融沉积结合反应烧结3D打印SiC陶瓷的基础上，进一步将陶瓷打印体等效碳密度从0.80g·cm^-3提高至接近理论等效碳密度0.91g·cm^-3。等效碳密度的增加致使渗硅难度呈指数级提升，直接液相渗硅易阻塞通道致使渗硅失效。

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

SiC陶瓷在锂电池生产中的作用

• 应用于电动车的电控系统中 。在电动车的电控系统中，高温、高压、高频等特殊环境下，传统材料往往难以满足要求。而碳化硅陶瓷具有优异的耐高温性能和电绝缘性能，能够在极端环境下稳定工作。因此，将碳化硅陶瓷用作电动车的电控系统中的散热片、绝缘座等部件，不仅能够提高系统的工作效率和稳定性，还能够延长系统的使用寿命。

SiC陶瓷在锂电池中的作用

• 导电性：碳化硅陶瓷具有良好的导电性能，可以用作锂电池的导电剂。它可以作为电极材料的导电添加剂，提高电极的导电性能，增加电池的电导率。

• 热传导性：碳化硅陶瓷具有优异的热传导性能，可以有效地将电池内部产生的热量迅速传导出去，提高电池的散热效果，防止电池过热。

• 抗腐蚀性：碳化硅陶瓷具有较高的化学稳定性和抗腐蚀性，可以防止电池内部电解液的侵蚀，延长电池的使用寿命。

• 绝缘性：碳化硅陶瓷具有良好的绝缘性能，可以用作电池的隔离材料，防止电池内部正负极之间的短路。

• 机械强度：碳化硅陶瓷具有较高的硬度和机械强度，可以增加电池的结构强度，提高电池的抗震性能。

• 提高电池的能量密度 ：碳化硅陶瓷具有高透光性和高导热性等优点，能够有效提高电池的能量密度。

               

               

SiC陶瓷增材制造挑战与机遇                

               

               

① 致密化与强韧化

② 缺陷定量化表征与精准控制

③ 复合材料化

如何基于增材制造技术，发展增材制造SiC陶瓷材料的变形状、变性能、变功能的4D打印设计方法，或者突破其他先进发展方向(如零膨胀、负泊松等)，也是作者认为的SiC陶瓷材料增材制造领域未来新的闪光点。[来源: 机械工程材料]