3D打印制备碳化硅陶瓷研究概述

碳化硅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 状的陶瓷材料制品，这给制造带来极大难题与挑战。近年来，碳化硅陶瓷材料增材制造技术得到广泛关注与研究，但仍很不成熟，属于该领域科技前沿的热点难 点。

下文对国内外在3D打印制备碳化硅陶瓷方面的研究情况予以概述。

一、国外方面的研究情况

美国橡树岭国家实验室探讨了用于制造核级碳化硅的增材制造方法。首先，介绍了目前可用于碳化硅的增材制造加工方法，原料是聚合物、粉末和/或反应性化学蒸汽的形式，碳化硅相是由陶瓷前聚合物的热解、粉末前体的直接反应、碳化硅粉末的烧结或化学气相沉积/渗透形成的。其次，讨论了通过各种加工方法制造的碳化硅材料的不同微观结构如何影响它们在核环境中的行为。第三，讨论了用于制造相对纯净的碳化硅的最先进的增材制造技术，这些技术在中子辐照下显示出保持其强度的巨大潜力：(1) 粘合剂喷射打印，然后进行化学气相渗透，(2) 激光化学气相沉积，以及 (3)碳化硅粉末的选择性激光烧结。

法国图卢兹大学通过实验和数值方法研究直接粉末床选择性激光加工 (PBSLP) 制造碳化硅的可能性。实验研究采用 PBSLP 进行，数值研究则通过开发 CFD 模型完成。CFD 模型可准确模拟 PBSLP 工艺的实际条件。开发了一种用户定义代码，用于描述激光功率、扫描速度、扫描策略和阴影距离等工艺参数，并将其编译到 ANSYS FLUENT 2020 R1 中。此外，还利用文献中可用的已发布数据验证了该模型。结果表明，通过优化工艺参数，PBSLP制备SiC 是可行的，层厚度和阴影距离是需要优化的最重要的参数。

瑞士应用科学大学通过选择性激光烧结 PA12 粉末以及聚合物渗透和热解增材制造碳化硅。他们提出了一种新颖的混合增材制造技术，该技术结合了聚酰胺粉末的选择性激光烧结(SLS)和随后的陶瓷前体聚合物渗透和热解，以制造用于复杂结构的碳化硅组件。通过控制烧结聚合物预制件的孔隙率，能够控制第一次渗透和热解时的收缩。所得陶瓷的机械强度随着再渗透循环次数的增加而增加，最高可达24 MPa，残余孔隙率降低至10 vol%。

二、国内方面的研究情况

上海大学基于3D打印技术结合反应熔渗烧结提出了两种制备碳化硅陶瓷复合材料的新方式，基于3D打印技术结合反应熔渗烧结提出了两种制备碳化硅陶瓷复合材料的新方式，进行了直写成型用碳化硅复合浆料的制备，采用添加粘结剂提高浆料模量的策略,以海藻酸钠作为粘结剂,碳化硅粉体、短切碳纤维和炭黑为原料制备了具有剪切变稀行为的水基碳化硅陶瓷浆料。2%海藻酸钠溶液制备的浆料模量最高,具有最好的粘结性能。炭黑添加量不影响浆料的粘度;炭黑含量为15vol%时,浆料初始模量最高。随着短切碳纤维含量的增加,浆料粘度减小,剪切应力先增后降;短切碳纤维含量为25vol%时的浆料粘度最低。不同炭黑与短切碳纤维添加量的浆料均具有较高的分散性,展现出典型的剪切稀化行为,能够满足直写成型的需求。

西安交通大学公开了一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，包括以下步骤：称取碳化硅、碳纤维和硅微粉，真空烘干；碳纤维进行化学气相沉积处理，使碳纤维的表面形成无定形碳；碳化硅进行化学气相沉积处理，使碳化硅的表面形成硅薄膜；硅微粉、碳纤维和碳化硅混合均匀，获得混合粉；设置成形参数及扫描策略，将结构/功能件模型输出为STL格式并导入激光选区熔化成形设备；将混合粉通入激光选区熔化成形设备，在保护气的气氛下进行结构/功能件成形，实现碳化硅基陶瓷结构/功能件的增材制造。

山东大学结合浆料直写成型3D打印技术与反应烧结开发制备 CMC-SiC。以海藻酸钠作为粘结剂、聚乙二醇400为分散剂,碳化硅粉体、炭黑粉体为原料制备了具有剪切变稀行为的陶瓷浆料。利用制备的浆料进行挤出成型工艺单因素试验,考察了陶瓷浆料挤出成型工艺影响因素,通过试验测试确定了陶瓷浆料3D打印成型的工艺参数。探究了反应烧结工艺，完成了直写成型生坯的致密化与近净成型。

武汉理工大学使用 3D 打印与凝胶注模相结合制造复杂的碳化硅陶瓷部件，成功制造了具有良好表面质量和性能的复杂结构碳化硅叶轮。为了提高激光烧结制备复杂形状SiC陶瓷零件的致密度，将冷等静压和反应烧结相结合。在LS/CIP/RS工艺中，采用机械混合和冷涂覆法制备酚醛树脂-SiC复合粉末，其中PF的最佳含量为18wt％。为了提高最终反应烧结后烧结体的致密度，在初始混合粉末中添加了炭黑。在整个制备过程中优化了材料准备、LS成型和致密化步骤。该研究进一步表明了利用增材制造技术制备复杂形状SiC陶瓷零件是可行的。

北京理工大学研究了碳化硅陶瓷的立体光刻增材制造和烧结方法，基于SL-AM制备的碳化硅生坯，应用了不同的烧结方法，包括液相烧结（LPS）、前驱体渗透和热解（PIP）以及液体硅渗透（LSI），最终获得碳化硅烧结体。在每种条件下，详细研究了相对密度、晶相、微观结构和抗弯强度。将密度和强度相互比较，并将其与其他增材制造结果和传统结果进行比较。最后，发现LSI是立体光刻增材制造SiC陶瓷最有前途的烧结方法。

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