引入分级SiO2改善光固化SiC陶瓷浆料的性能

供稿人：郑誉 连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室


由于SiC粉末具有较高的光吸收率和折射率，使得SiC陶瓷浆料具有固化厚度低、打印效率低、沉降性能差等特点，成为了快速立体光固化打印SiC陶瓷元件的一个关键挑战。中科院上海陶瓷研究所Tang等人[1]通过引入分级SiO2有效改善了SiC浆料的固化厚度、流变性和沉降性能，使得浆料的印刷精度大于75μm，动态粘度小于2pa⋅s、 24h沉降高度小于5%。这一技术展示了快速立体光刻大尺寸SiC陶瓷坯体的诱人可能性和广阔前景。

该团队采用了HDDA，TMPTA，PEGDA三种单体、粗石英（SiO2，平均粒径D50=46μm）、细石英（SiO2，平均粒径D50=2μm）和SiC粉末（平均粒径为D50=30μm）为浆料主要原料。在综合考虑了浆料的粘度、固化厚度和沉降性能的基础上，确定了各种浆料参数：三种单体HDDA:TMPTA:PEG600DA的比例为7：2：1，使得浆料在达到140μm左右的固化厚度的同时保持较低的粘度；分散剂PEG的含量为7.5wt％，以解决细SiO2引入带来的颗粒团聚现象，同时优化了浆料的粘度和沉降性能；引入了15vol％的粗细SiO2颗粒，由于SiO2具有低吸光度和低折射率的特性，大大优化了原SiC浆料的光固化性能，固相含量提升到47.5vol％，减少了脱脂后的收缩变形。当粗细SiO2的比例为3：7时，浆料具备了合适的粘度，24h沉降高度小于5%；最后确定了光引发剂BAPO的加入量为2wt％，可以发挥最大的引发活性。浆料的最佳配比如表1所示：

△表1 最佳浆料配比

根据试验结果，通过DLP-3D打印，以最佳浆料比例成型形状复杂的坯体。曝光功率设置为12.8 mw/cm2，曝光时间设置为10 s。STL模型和素坯如图1所示。从图中可以看出，坯体精度高，表面质量好，没有明显的气孔或缺陷。此外，从SEM图像可以看出，细SiO2颗粒没有明显的团聚。

△图1 （a-c）素坯的STL格式模型；（d-e）素坯；（f） 素坯的SEM图像

研究中为了提高SiC感光浆料的固化厚度和沉降性能，通过引入低吸光度的SiO2粉体，提出了一种制备高固含量、低沉降、高固化厚度、低粘度浆料的新途径。系统深入地分析了影响光敏浆料固化厚度、流变性能和沉降性能的主要因素。详细研究了光敏单体、光引发剂、分散剂、分级SiO2和SiC固含量对浆料粘度、固化厚度和沉降性能的影响。动态粘度<2pa的SiC感光浆料⋅制备s和24小时沉淀高度<5%的样品。测试了DLP和SLA打印机所用浆料的打印参数。合适的印刷精度为70～100μm。通过引入分级SiO2，固化厚度增加了50%以上，固含量增加了42.6%，印刷效率提高了30%以上，为大尺寸碳化硅陶瓷坯体的立体光刻提供了一条新途径。

参考文献：Tang, J., et al., 用于快速立体光刻的 SiC 陶瓷光敏浆料的制备。 欧洲陶瓷学会杂志，2021。41（15）：p。 7516-7524。