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，中國科學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》，并申請中國發(fā)明專利2項。

陳健說：“我們做任何一件事都是越簡單越好，特別是對于實現(xiàn)工業(yè)化來說，3D打印目前主要做一些特制的零件比較合適，未來走向智能化和工業(yè)化，應(yīng)用化是關(guān)鍵?！?/div>

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、力學性能較低，普遍采用化學氣相沉積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實現(xiàn)陶瓷材料綜合性能的提升，這樣勢必降低3D打印SiC陶瓷工藝的優(yōu)越性。

根據(jù)已有科學研究，與金屬3D打印不同的是，陶瓷材料不能通過激光加熱陶瓷粉末直接打印，直接SLS（Selective laser Sintering）制件在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力難以避免產(chǎn)生裂紋，導致最終產(chǎn)品力學性能較差；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，目前市場對大尺寸陶瓷的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的消費需求比較強烈。在很多場景中需要各種復(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、耗時長，并且需要一些輔助的模具設(shè)計，那么整個制造周期就會更長。

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

“SiC陶瓷比較硬和脆，導致它的加工非常困難”陳健介紹：“在加工制造過程中，刀具經(jīng)常用，但不是經(jīng)常使用的那種金剛石的刀具。因為在加工的過程中，SiC陶瓷會產(chǎn)生一些微裂紋等缺陷，這樣陶瓷的質(zhì)量和精度就會受到影響。”

特別是隨著光學元件孔徑的增大，碳化硅光學元件與支撐結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計將導致碳化硅光學元件的結(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)難以實現(xiàn)的。

迫切需要開展復(fù)雜形狀碳化硅光學元件的制造新技術(shù)、新工藝的研究，實現(xiàn)空間遙感光學探測用低面積密度碳化硅光學結(jié)構(gòu)集成元件的制備。

“碳化硅陶瓷無法直接打印出我們需要的形狀”最近興起的3D打印技術(shù)是一個從點到線，從線到面再到個體的制造過程。

陳健介紹：“目前已經(jīng)實現(xiàn)通過計算機控制做好輔助設(shè)計來制造，未來可以采用多機器人聯(lián)動的方式結(jié)合起來進行制造。智能化、數(shù)字化的制造按照預(yù)先程序設(shè)計，就可以通過打印的方式來制造想要的這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)?！?/div>

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

陳健說：“我們的突破點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，我們避開激光這種方法，而采取擠出工藝。這樣先通過高溫混煉可以得到很高含量的陶瓷材料，再通過這種注射成型的方式來慢慢的疊層打印。”

“在半導體領(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，而是對碳化硅粉體進行改性，然后將改性的物質(zhì)還原為碳化硅，這種方法相對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，目前大多數(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年先進碳化物課題組學生畢業(yè)時與導師合影（部分）

對比LP-CVD工藝中應(yīng)用的硅和石英材料，碳化硅(SiC)的熱導性、耐蝕性、耐化學性更好，而且熱膨脹率低，因此可長時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)用在半導體擴散工藝及常壓 CVD, LP-CVD。高韌性的碳化硅也可應(yīng)用在切削工具、彈簧、發(fā)動機零部件等領(lǐng)域。

之前，陳健曾研制航空領(lǐng)域的光學部件，但用傳統(tǒng)的成型燒結(jié)壓制也是比較費時費力。

陳健表示，此次在3D打印碳化硅陶瓷研究中取得新進展，后續(xù)他也會繼續(xù)負責應(yīng)用量產(chǎn)階段。今后的重點應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天、半導體，還有核工業(yè)方面。

來源：上?？萍?/div>

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，中國科學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》，并申請中國發(fā)明專利2項。

陳健說：“我們做任何一件事都是越簡單越好，特別是對于實現(xiàn)工業(yè)化來說，3D打印目前主要做一些特制的零件比較合適，未來走向智能化和工業(yè)化，應(yīng)用化是關(guān)鍵?！?/div>

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、力學性能較低，普遍采用化學氣相沉積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實現(xiàn)陶瓷材料綜合性能的提升，這樣勢必降低3D打印SiC陶瓷工藝的優(yōu)越性。

根據(jù)已有科學研究，與金屬3D打印不同的是，陶瓷材料不能通過激光加熱陶瓷粉末直接打印，直接SLS（Selective laser Sintering）制件在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力難以避免產(chǎn)生裂紋，導致最終產(chǎn)品力學性能較差；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，目前市場對大尺寸陶瓷的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的消費需求比較強烈。在很多場景中需要各種復(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、耗時長，并且需要一些輔助的模具設(shè)計，那么整個制造周期就會更長。

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

“SiC陶瓷比較硬和脆，導致它的加工非常困難”陳健介紹：“在加工制造過程中，刀具經(jīng)常用，但不是經(jīng)常使用的那種金剛石的刀具。因為在加工的過程中，SiC陶瓷會產(chǎn)生一些微裂紋等缺陷，這樣陶瓷的質(zhì)量和精度就會受到影響。”

特別是隨著光學元件孔徑的增大，碳化硅光學元件與支撐結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計將導致碳化硅光學元件的結(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)難以實現(xiàn)的。

迫切需要開展復(fù)雜形狀碳化硅光學元件的制造新技術(shù)、新工藝的研究，實現(xiàn)空間遙感光學探測用低面積密度碳化硅光學結(jié)構(gòu)集成元件的制備。

“碳化硅陶瓷無法直接打印出我們需要的形狀”最近興起的3D打印技術(shù)是一個從點到線，從線到面再到個體的制造過程。

陳健介紹：“目前已經(jīng)實現(xiàn)通過計算機控制做好輔助設(shè)計來制造，未來可以采用多機器人聯(lián)動的方式結(jié)合起來進行制造。智能化、數(shù)字化的制造按照預(yù)先程序設(shè)計，就可以通過打印的方式來制造想要的這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)?！?/div>

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

陳健說：“我們的突破點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，我們避開激光這種方法，而采取擠出工藝。這樣先通過高溫混煉可以得到很高含量的陶瓷材料，再通過這種注射成型的方式來慢慢的疊層打印。”

“在半導體領(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，而是對碳化硅粉體進行改性，然后將改性的物質(zhì)還原為碳化硅，這種方法相對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，目前大多數(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年先進碳化物課題組學生畢業(yè)時與導師合影（部分）

對比LP-CVD工藝中應(yīng)用的硅和石英材料，碳化硅(SiC)的熱導性、耐蝕性、耐化學性更好，而且熱膨脹率低，因此可長時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)用在半導體擴散工藝及常壓 CVD, LP-CVD。高韌性的碳化硅也可應(yīng)用在切削工具、彈簧、發(fā)動機零部件等領(lǐng)域。

之前，陳健曾研制航空領(lǐng)域的光學部件，但用傳統(tǒng)的成型燒結(jié)壓制也是比較費時費力。

陳健表示，此次在3D打印碳化硅陶瓷研究中取得新進展，后續(xù)他也會繼續(xù)負責應(yīng)用量產(chǎn)階段。今后的重點應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天、半導體，還有核工業(yè)方面。

來源：上?？萍?/div>