碳化硅陶瓷結構件在半導體制造、新能源等高端裝備領域的需求日益增長。然而，碳化硅陶瓷因極高的硬度和顯著的脆性，使其難以通過傳統加工方法制造復雜結構件，這一技術瓶頸制約了其在高端裝備中的應用。因此，3D打印技術成為突破碳化硅陶瓷制造瓶頸的關鍵途徑。目前，3D打印方法制備的碳化硅陶瓷主要面向缺陷容忍度較高的反應燒結碳化硅陶瓷，但反應燒結碳化硅陶瓷中通常存在>30vol%的殘余游離硅，硅熔點低于1410℃，導致其高溫性能受限，進而限制了3D打印碳化硅陶瓷在極端服役環境下的應用場景。
針對上述問題，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究團隊，提出了材料擠出（MEX）打印結合前驅體滲透裂解（PIP）與常壓固相燒結的復合工藝路線。常壓固相燒結路線可較好地避免硅相含量過多的問題，并提高材料在極端環境下的使用溫度。但3D打印常壓燒結碳化硅陶瓷中有機粘結劑含量高達40vol%至50vol%，燒結形成的孔隙會使材料收縮率超過20%，進而導致尺寸精度失控，使材料開裂。對此，團隊提出了在3D打印多孔坯體中進行聚碳硅烷（PCS）前驅體的真空浸漬裂解，使其在1300℃下轉化為原位納米碳化硅顆粒填充孔隙，并構建內部微觀支撐骨架。為解決坯體強度低的問題，團隊進一步引入預燒結處理工藝，在增強坯體強度的同時保持適量開孔結構，以實現PCS高效滲透與缺陷控制。
該工藝實現了雙重突破，即一方面在燒結過程中避免了游離硅相的生成，使材料具備優異的高溫力學性能；另一方面通過PIP過程中形成的碳化硅骨架，有效抑制了燒結收縮，并將線性收縮率從21.71%降低至6.38%。研究顯示，制備的碳化硅陶瓷密度可達3.17g·cm?3，抗彎強度為359MPa，彈性模量為381GPa，熱導率達165.76W·m?1·K?1，且在1500℃高溫環境下仍能保持357MPa的抗彎強度，為極端環境下使用復雜結構碳化硅陶瓷部件的精密制造提供了技術支撐。
近日，相關研究成果發表在Additive Manufacturing上。研究工作得到科學技術部的支持。
論文鏈接
MEX-3D打印碳化硅陶瓷流程圖
PIP工藝抑制MEX結合常壓固相燒結碳化硅陶瓷的尺寸收縮
本文鏈接：3D打印常壓燒結碳化硅陶瓷研究獲進展http://www.sq15.cn/show-12-2184-0.html
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