基于立体光刻技术的轻质高强C_f/SiC陶瓷增材制造

供稿人:关志强 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

近年来，碳化硅陶瓷复合材料因其比强度高、导热性好、膨胀系数低等优点而受到广泛关注。然而，在航空航天等领域，采用传统制造工艺很难制备结构复杂的精密零件。3D打印技术的发展为复杂复合材料零件的制造提供了一条有效途径。通过选择性激光烧结（SLS）、直接墨水写入（DIW）、粘合剂喷射（BJ）、立体光刻（SL）和层压对象制造（LOM）制备的SiC陶瓷复合材料都显示出良好的前景。

中国科学院上海陶瓷研究所的张恒等人提出通过数字光处理（DLP）和液态硅浸渍（LSI）工艺来制备C_f/SiC复合材料的新方法。整个过程如图1所示，包括三个部分：碳纤维浆料的制备；碳纤维预制件的3D打印及热解为以碳纤维为碳源的碳坯；液态硅渗透碳坯以形成致密的C_f/SiC复合材料。所制备的浆料固相含量为20.86vol%，通过研究碳纤维浆料的固化性能和打印精度，找到了一组最佳打印参数：曝光时间60s，曝光功率88mw/〖cm〗^2，分层厚度25μm，固化厚度为40μm。并以此来开展复杂结构碳纤维的立体光刻。

图1 打印原理

首先，对DLP技术对该类材料的成型精度做了表征。结果显示，制件成型尺寸偏差小于5%，并打印了图2所示的网格结构、桁架结构、矩形块体结构、十四面体堆叠结构和八面体交叉结构，这些结构都具有良好的表面质量和精细的内部结构，证明了DLP打印该类材料的成型能力。其次，素坯经过热解后，成为了以碳纤维为碳源的碳坯，碳坯经过高温渗硅处理后，便转化为了C_f/SiC复合材料，表征了烧结样品的微观结构和相组成，在反应烧结过程中，液态硅被填充到坯体的孔隙和空心中。同时，碳纤维被用作碳源，转化为碳化硅，并在原始碳化硅表面沉淀，生成的碳化硅体积膨胀，从而促进复合材料的致密化。烧结样品的XRD结果，也证实了样品在硅化后存在Si、SiC和未反应的碳纤维。

图2 打印制件

最后，对制件的力学性能进行了表征，制件的密度为2.75g/〖cm〗^3，弯曲强度为262.6MPa，断裂韧性为1.8MPam^(1⁄2)。制件具有更轻的密度和优异的力学性能。这种制造策略，在制备具有复杂几何形状的致密陶瓷零件方面具有巨大潜力。
参考文献：

    张恒，杨勇，惠可辉，等。 基于立体光刻技术的轻质高强C_f/SiC陶瓷增材制造[J]. 增材制造.2020。 34：页。 101199。