综述：碳化硅陶瓷增材制造研究新进展

来源：DT-Carbontech

碳化硅(SiC)陶瓷结构件在各类新应用场景的需求逐渐增多。例如，核工业领域的大尺寸复杂形状SiC陶瓷核反应堆芯；集成电路制造关键装备光刻机的SiC陶瓷工件台、导轨、反射镜、陶瓷吸盘、手臂等；新能源锂电池生产配套的中高端精密SiC陶瓷结构件；光伏行业生产用扩散炉配套高端精密SiC陶瓷结构件和电子半导体高端芯片生产制程用精密高纯SiC陶瓷结构件。

然而，由于SiC是Si-C键很强的共价键化合物，硬度仅次于金刚石，硬度高、脆性大，在加工过程中易产生缺陷，像复杂几何形状的碳化硅陶瓷构件往往难以用传统的加工技术制造，这在很大程度上制约了复杂结构碳化硅陶瓷的应用，而3D打印技术可有效解决这一难题。

△3D打印SiC示意图

3D打印SiC陶瓷制备技术已成为目前SiC陶瓷研究和应用的发展方向之一。3D打印SiC陶瓷主要为反应烧结SiC陶瓷，多数密度低于2.95g·cm-3，硅含量通常大于30vol%甚至高达50vol%。由于硅熔点低于1410℃，导致硅使用温度较低，限制了3D打印SiC陶瓷在半导体领域（如LPCVD）的应用场景。

3D打印SiC陶瓷领域的新进展
中国科学院上海硅酸盐研究所研究员黄政仁团队研究员陈健在前期提出高温熔融沉积结合反应烧结3D打印SiC陶瓷的基础上，进一步将陶瓷打印体等效碳密度从0.80g·cm-3提高至接近理论等效碳密度0.91g·cm-3。等效碳密度的增加致使渗硅难度呈指数级提升，直接液相渗硅易阻塞通道致使渗硅失效。

△气相渗硅形成的多孔SiC壳层

近期，该团队提出了气相与液相渗硅联用逐次渗硅方法，通过气相熔渗反应形成多孔SiC壳层，避免高碳密度的陶瓷打印体在液相渗硅初期发生快速剧烈反应，同时限制液态硅与固体碳的接触面积。这样不会发生熔渗通道的堵塞，使得后续的液相反应可缓慢且持续进行。

△采用气相和液相联用渗硅得到的SiC陶瓷力学性能

该研究制备的SiC陶瓷密度可达3.12g·cm-3，硅含量降低至10vol%左右，抗弯强度和弹性模量分别达到465MPa和426GPa，力学性能与常压固相烧结SiC陶瓷相当，可提高SiC陶瓷环境使用温度。

相关研究成果发表在《欧洲陶瓷学会杂志》(Journal of the European Ceramic Society)上，并申请中国发明专利2项（其中1项已授权）。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目和上海市自然科学基金等的支持。

SiC陶瓷增材制造挑战与机遇

致密化与强韧化

目前增材制造SiC陶瓷材料的致密度与强度/韧性较传统制造仍有较大距离。如何发展新工艺，提高增材制造SiC陶瓷材料的致密性与强韧性，将是下一阶段重点需要解决的难题，这将直接决定增材制造SiC陶瓷材料能否真正工程化应用。

△增材制造SiC陶瓷材料致密化与强韧化途径

缺陷定量化表征与精准控制

增材制造的工艺特点决定了陶瓷产品中难以避免存在较多缺陷。然而缺陷类型、缺陷产生原因以及缺陷精准抑制缺陷，目前尚未有系统关注。包括X-CT在内的无损检测技术发展为增材制造材料内部制造缺陷的精准化、定量化表征提供了新的方法。通过对增材制造陶瓷材料内部制造缺陷类型、缺陷源头与产生机理的精准分析，建立增材制造SiC陶瓷材料内部制造缺陷的精准控制策略，将是下一阶段需要重点关注的主要问题。

复合材料化

陶瓷材料的本征脆性仍是SiC陶瓷材料难以规避的“宿命”难题。以1D、2D、3D增强相实现SiC陶瓷材料的复合材料化，将是今后SiC陶瓷材料增材制造的重要关注点。虽然目前已有一些采用晶须、短纤维等增强相在SiC陶瓷材料增材制造中的研究报道，但是连续纤维增强SiC陶瓷材料的增材制造仍是很大的难题。如何发展连续纤维增强SiC陶瓷基复合材料的高效增材制造技术，将是下一阶段本领域的重要突破口。

结构化、功能化与结构功能一体化

通过轻量化构型设计、超材料设计等结构设计思路，结合增材制造技术成形复杂异型构件的独特优势，实现SiC陶瓷材料的结构化，将是今后陶瓷材料与结构设计结合的重要方向。此外，通过结构构型创新设计，实现增材制造SiC陶瓷材料结构在电磁、声学、光学、热学等方面的优异功能，也将是今后陶瓷材料与结构设计结合的另一增长点。最后，如何基于增材制造，实现SiC陶瓷材料结构功能一体化，获得诸如轻量化防热隔热一体化、轻量化电磁吸波一体化、轻量化抗冲击一体化等结构功能一体化结构，将是增材制造技术在陶瓷材料中的终极体现奥义之一。

4D打印与其他先进发展方向

如何基于增材制造技术，发展增材制造SiC陶瓷材料的变形状、变性能、变功能的4D打印设计方法，或者突破其他先进发展方向(如零膨胀、负泊松等)，也是作者认为的SiC陶瓷材料增材制造领域未来新的闪光点。