西北工业大学：基于3D打印和化学气相渗透技术制备SiC晶须增强SiC陶瓷基复合材料

供稿人:随雨浓 鲁中良

西北工业大学的研究团队提出了一种基于3D打印和CVI技术制备SiC W / SiC复合材料的新方法。该方法包括三个步骤（图1）：碳化硅晶须经过离心喷雾干燥造粒形成SiC W球形颗粒，然后利用喷胶粘粉成型法制备预制体，最后使用CVI 化学气相渗透技术对SiC W预制体进行致密化处理，得到SiC W / SiC复合材料。

图1 SiCw/SiC复合材料制备流程图

该团队在研究中使用平均直径为1.5μm，平均长度为18μm且纯度为≥99％的 SiC W （Beantown Chemical，UK）制备陶瓷浆料，聚乙二醇（PEG，M r  = 400，天津科密欧化学试剂有限公司，中国）作为分散剂将SiC W分散在去离子水中，四甲基乙二胺（TMAH，天津富辰化学试剂公司）用来调节浆料的PH，糊精（M W  = 504，天津鼎盛新化学有限公司，中国）作为粘结剂，混合均匀后得到陶瓷浆料。

图2 通过离心喷雾干燥造粒成的SiC W球形颗粒

图2 显示了使用离心喷雾干燥获得的SiC W球形颗粒的形态和粒度分布。具体地，从图2a中的SEM图像观察到，附聚率非常高，并且SiC W粉末几乎完全被粒化成球形颗粒。图 2b中的SEM图像显示SiC W颗粒具有球形形状。图 2c中的SEM图像显示SiC W在球体中随机取向，这使得球体是各向同性的。从图2中所示的粒度分布d，可以看出，SiC W球形颗粒呈现单峰和窄粒度分布，表明粒径集中。

本文通过结合喷雾干燥，喷胶粘粉和CVI，开发了一种新方法，用于制备具有合适机械性能的SiC W / SiC。这三种技术的结合提供了几个好处。通过离心喷雾干燥，将流动性差且具有不规则形状，针形或片状的陶瓷粉末聚集成球形。球形颗粒是喷胶粘粉成型的理想原料。喷胶粘粉成型产品不需要模具和复杂的加工。而且，通过喷胶粘粉成型可以快速制备几何形状复杂的产品，从而节省了成本并缩短了生产周期。此外，由CVI制备的陶瓷基体纯净，致密且连续，具有高模量和强度。陶瓷基体的引入使预制件致密化。因此，该新方法有望具有广泛的实际应用。在这项工作中， SiC W / SiC的抗弯强度和断裂韧性高达200 MPa和3.4 MPa m 1/2。

参考文献：
Lv X, Ye F, Cheng L, et al. Fabrication of SiC whisker-reinforced SiC ceramic matrix composites based on 3D printing and chemical vapor infiltration technology[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2019, 39(11): 3380-3386.
https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.04.043

供稿人:随雨浓 鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室