碳化硅（SiC）陶瓷由于其易氧化、難熔融、高吸光，是3D打印陶瓷中亟待攻克的難題。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所副研究員陳健首次提出高溫熔融沉積結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備SiC陶瓷新方法，成功制備出力學(xué)性能接近于傳統(tǒng)方法制備反應(yīng)燒結(jié)的SiC陶瓷。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Additive Manufacturing》，并申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)。

陳健說(shuō)：“我們做任何一件事都是越簡(jiǎn)單越好，特別是對(duì)于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化來(lái)說(shuō)，3D打印目前主要做一些特制的零件比較合適，未來(lái)走向智能化和工業(yè)化，應(yīng)用化是關(guān)鍵。”

目前，大多數(shù)3D打印SiC陶瓷方法中打印材料固含量較低、硅含量較高、力學(xué)性能較低，普遍采用化學(xué)氣相沉積CVI（Chemical Vapor Infiltration）或者前驅(qū)體浸漬裂解PIP（Precursor Infiltration Pyrolysis）等后處理工藝提高材料固含量來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷材料綜合性能的提升，這樣勢(shì)必降低3D打印SiC陶瓷工藝的優(yōu)越性。

根據(jù)已有科學(xué)研究，與金屬3D打印不同的是，陶瓷材料不能通過(guò)激光加熱陶瓷粉末直接打印，直接SLS（Selective laser Sintering）制件在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力難以避免產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致最終產(chǎn)品力學(xué)性能較差；SLA（Stereo lithography ）是一種基于光敏陶瓷漿料光聚合的有效紫外光固化技術(shù)，但是碳化硅的高吸光、高折射率，限制了漿料的固化厚度、固含量等參數(shù)。

即便如此，陳健向上?？萍冀榻B，目前市場(chǎng)對(duì)大尺寸陶瓷的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的消費(fèi)需求比較強(qiáng)烈。在很多場(chǎng)景中需要各種復(fù)雜性的陶瓷材料零部件。如果采用傳統(tǒng)的減材制造方法，比較復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，并且需要一些輔助的模具設(shè)計(jì)，那么整個(gè)制造周期就會(huì)更長(zhǎng)。

但昂貴的成本和較長(zhǎng)的交貨時(shí)間使得這些新技術(shù)難以用于原型制作和中小批量零件生產(chǎn)。陳健說(shuō)：“現(xiàn)在用到激光打印設(shè)備都非常昂貴，一個(gè)激光器高達(dá)幾十萬(wàn)。我們采用粘結(jié)劑塑性擠出工藝的設(shè)備相對(duì)比較便宜，可以大大降低產(chǎn)品制造成本?！?/div>

“SiC陶瓷比較硬和脆，導(dǎo)致它的加工非常困難”陳健介紹：“在加工制造過(guò)程中，刀具經(jīng)常用，但不是經(jīng)常使用的那種金剛石的刀具。因?yàn)樵诩庸さ倪^(guò)程中，SiC陶瓷會(huì)產(chǎn)生一些微裂紋等缺陷，這樣陶瓷的質(zhì)量和精度就會(huì)受到影響?！?/div>

特別是隨著光學(xué)元件孔徑的增大，碳化硅光學(xué)元件與支撐結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)將導(dǎo)致碳化硅光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，這是采用傳統(tǒng)的陶瓷成型燒結(jié)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。

迫切需要開(kāi)展復(fù)雜形狀碳化硅光學(xué)元件的制造新技術(shù)、新工藝的研究，實(shí)現(xiàn)空間遙感光學(xué)探測(cè)用低面積密度碳化硅光學(xué)結(jié)構(gòu)集成元件的制備。

“碳化硅陶瓷無(wú)法直接打印出我們需要的形狀”最近興起的3D打印技術(shù)是一個(gè)從點(diǎn)到線(xiàn)，從線(xiàn)到面再到個(gè)體的制造過(guò)程。

陳健介紹：“目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制做好輔助設(shè)計(jì)來(lái)制造，未來(lái)可以采用多機(jī)器人聯(lián)動(dòng)的方式結(jié)合起來(lái)進(jìn)行制造。智能化、數(shù)字化的制造按照預(yù)先程序設(shè)計(jì)，就可以通過(guò)打印的方式來(lái)制造想要的這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)?！?/div>

碳化硅陶瓷的特點(diǎn)是易氧化、難熔融、高吸光。相對(duì)于塑料或金屬有固定的熔點(diǎn)，通過(guò)加熱融化后就可以進(jìn)行粘貼，陶瓷特別是氧化物陶瓷熔點(diǎn)非常高，而碳化物陶瓷沒(méi)有熔點(diǎn)，在高溫條件下會(huì)直接氧化。比如碳化硅會(huì)氧化成二氧化硅，或者是其他的氣體或在激光的作用下直接分解，導(dǎo)致無(wú)法直接3D打印，只能打印出一個(gè)素坯再去燒結(jié)。

陳健說(shuō)：“我們的突破點(diǎn)主要是在碳化硅陶瓷中加一些含碳的燒結(jié)助劑，便于后期的燒結(jié)致密化。但其更黑更容易吸光，我們避開(kāi)激光這種方法，而采取擠出工藝。這樣先通過(guò)高溫混煉可以得到很高含量的陶瓷材料，再通過(guò)這種注射成型的方式來(lái)慢慢的疊層打印?！?/div>

“在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用比較火”

“10年前我就想用激光間接燒結(jié)來(lái)做?！?/div>

陳健表示，這些方法包括光固化不直接用碳化硅粉體，而是對(duì)碳化硅粉體進(jìn)行改性，然后將改性的物質(zhì)還原為碳化硅，這種方法相對(duì)于我們直接用碳化硅粉加碳粉的打印復(fù)雜一些。

陳健解釋?zhuān)壳按蠖鄶?shù)打印工藝，都是先打印出素坯之后浸漬一遍，再燒結(jié)裂解一遍，然后再浸漬一遍再燒結(jié)裂解一遍，這樣打印的形狀就不能太復(fù)雜了。

2021年先進(jìn)碳化物課題組學(xué)生畢業(yè)時(shí)與導(dǎo)師合影（部分）

對(duì)比LP-CVD工藝中應(yīng)用的硅和石英材料，碳化硅(SiC)的熱導(dǎo)性、耐蝕性、耐化學(xué)性更好，而且熱膨脹率低，因此可長(zhǎng)時(shí)間使用的化合物材料。高純 SiC 產(chǎn)品在 1200℃以上的高溫下穩(wěn)定，可應(yīng)用在半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝及常壓 CVD, LP-CVD。高韌性的碳化硅也可應(yīng)用在切削工具、彈簧、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等領(lǐng)域。

之前，陳健曾研制航空領(lǐng)域的光學(xué)部件，但用傳統(tǒng)的成型燒結(jié)壓制也是比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

陳健表示，此次在3D打印碳化硅陶瓷研究中取得新進(jìn)展，后續(xù)他也會(huì)繼續(xù)負(fù)責(zé)應(yīng)用量產(chǎn)階段。今后的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天、半導(dǎo)體，還有核工業(yè)方面。

來(lái)源：上海科技

碳化硅（SiC）陶瓷由于其易氧化、難熔融、高吸光，是3D打印陶瓷中亟待攻克的難題。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所副研究員陳健首次提出高溫熔融沉積結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備SiC陶瓷新方法，成功制備出力學(xué)性能接近于傳統(tǒng)方法制備反應(yīng)燒結(jié)的SiC陶瓷。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Additive Manufacturing》，并申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)。

陳健說(shuō)：“我們做任何一件事都是越簡(jiǎn)單越好，特別是對(duì)于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化來(lái)說(shuō)，3D打印目前主要做一些特制的零件比較合適，未來(lái)走向智能化和工業(yè)化，應(yīng)用化是關(guān)鍵。”

目前，大多數(shù)3D打印SiC陶瓷方法中打印材料固含量較低、硅含量較高、力學(xué)性能較低，普遍采用化學(xué)氣相沉積CVI（Chemical Vapor Infiltration）或者前驅(qū)體浸漬裂解PIP（Precursor Infiltration Pyrolysis）等后處理工藝提高材料固含量來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷材料綜合性能的提升，這樣勢(shì)必降低3D打印SiC陶瓷工藝的優(yōu)越性。

根據(jù)已有科學(xué)研究，與金屬3D打印不同的是，陶瓷材料不能通過(guò)激光加熱陶瓷粉末直接打印，直接SLS（Selective laser Sintering）制件在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力難以避免產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致最終產(chǎn)品力學(xué)性能較差；SLA（Stereo lithography ）是一種基于光敏陶瓷漿料光聚合的有效紫外光固化技術(shù)，但是碳化硅的高吸光、高折射率，限制了漿料的固化厚度、固含量等參數(shù)。

即便如此，陳健向上?？萍冀榻B，目前市場(chǎng)對(duì)大尺寸陶瓷的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的消費(fèi)需求比較強(qiáng)烈。在很多場(chǎng)景中需要各種復(fù)雜性的陶瓷材料零部件。如果采用傳統(tǒng)的減材制造方法，比較復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，并且需要一些輔助的模具設(shè)計(jì)，那么整個(gè)制造周期就會(huì)更長(zhǎng)。

但昂貴的成本和較長(zhǎng)的交貨時(shí)間使得這些新技術(shù)難以用于原型制作和中小批量零件生產(chǎn)。陳健說(shuō)：“現(xiàn)在用到激光打印設(shè)備都非常昂貴，一個(gè)激光器高達(dá)幾十萬(wàn)。我們采用粘結(jié)劑塑性擠出工藝的設(shè)備相對(duì)比較便宜，可以大大降低產(chǎn)品制造成本?！?/div>

“SiC陶瓷比較硬和脆，導(dǎo)致它的加工非常困難”陳健介紹：“在加工制造過(guò)程中，刀具經(jīng)常用，但不是經(jīng)常使用的那種金剛石的刀具。因?yàn)樵诩庸さ倪^(guò)程中，SiC陶瓷會(huì)產(chǎn)生一些微裂紋等缺陷，這樣陶瓷的質(zhì)量和精度就會(huì)受到影響?！?/div>

特別是隨著光學(xué)元件孔徑的增大，碳化硅光學(xué)元件與支撐結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)將導(dǎo)致碳化硅光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，這是采用傳統(tǒng)的陶瓷成型燒結(jié)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。

迫切需要開(kāi)展復(fù)雜形狀碳化硅光學(xué)元件的制造新技術(shù)、新工藝的研究，實(shí)現(xiàn)空間遙感光學(xué)探測(cè)用低面積密度碳化硅光學(xué)結(jié)構(gòu)集成元件的制備。

“碳化硅陶瓷無(wú)法直接打印出我們需要的形狀”最近興起的3D打印技術(shù)是一個(gè)從點(diǎn)到線(xiàn)，從線(xiàn)到面再到個(gè)體的制造過(guò)程。

陳健介紹：“目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制做好輔助設(shè)計(jì)來(lái)制造，未來(lái)可以采用多機(jī)器人聯(lián)動(dòng)的方式結(jié)合起來(lái)進(jìn)行制造。智能化、數(shù)字化的制造按照預(yù)先程序設(shè)計(jì)，就可以通過(guò)打印的方式來(lái)制造想要的這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)?！?/div>

碳化硅陶瓷的特點(diǎn)是易氧化、難熔融、高吸光。相對(duì)于塑料或金屬有固定的熔點(diǎn)，通過(guò)加熱融化后就可以進(jìn)行粘貼，陶瓷特別是氧化物陶瓷熔點(diǎn)非常高，而碳化物陶瓷沒(méi)有熔點(diǎn)，在高溫條件下會(huì)直接氧化。比如碳化硅會(huì)氧化成二氧化硅，或者是其他的氣體或在激光的作用下直接分解，導(dǎo)致無(wú)法直接3D打印，只能打印出一個(gè)素坯再去燒結(jié)。

陳健說(shuō)：“我們的突破點(diǎn)主要是在碳化硅陶瓷中加一些含碳的燒結(jié)助劑，便于后期的燒結(jié)致密化。但其更黑更容易吸光，我們避開(kāi)激光這種方法，而采取擠出工藝。這樣先通過(guò)高溫混煉可以得到很高含量的陶瓷材料，再通過(guò)這種注射成型的方式來(lái)慢慢的疊層打印?！?/div>

“在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用比較火”

“10年前我就想用激光間接燒結(jié)來(lái)做?！?/div>

陳健表示，這些方法包括光固化不直接用碳化硅粉體，而是對(duì)碳化硅粉體進(jìn)行改性，然后將改性的物質(zhì)還原為碳化硅，這種方法相對(duì)于我們直接用碳化硅粉加碳粉的打印復(fù)雜一些。

陳健解釋?zhuān)壳按蠖鄶?shù)打印工藝，都是先打印出素坯之后浸漬一遍，再燒結(jié)裂解一遍，然后再浸漬一遍再燒結(jié)裂解一遍，這樣打印的形狀就不能太復(fù)雜了。

2021年先進(jìn)碳化物課題組學(xué)生畢業(yè)時(shí)與導(dǎo)師合影（部分）

對(duì)比LP-CVD工藝中應(yīng)用的硅和石英材料，碳化硅(SiC)的熱導(dǎo)性、耐蝕性、耐化學(xué)性更好，而且熱膨脹率低，因此可長(zhǎng)時(shí)間使用的化合物材料。高純 SiC 產(chǎn)品在 1200℃以上的高溫下穩(wěn)定，可應(yīng)用在半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝及常壓 CVD, LP-CVD。高韌性的碳化硅也可應(yīng)用在切削工具、彈簧、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等領(lǐng)域。

之前，陳健曾研制航空領(lǐng)域的光學(xué)部件，但用傳統(tǒng)的成型燒結(jié)壓制也是比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

陳健表示，此次在3D打印碳化硅陶瓷研究中取得新進(jìn)展，后續(xù)他也會(huì)繼續(xù)負(fù)責(zé)應(yīng)用量產(chǎn)階段。今后的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天、半導(dǎo)體，還有核工業(yè)方面。

來(lái)源：上海科技