基于碳化硅陶瓷预氧化表面改性的面曝光3D打印和原位转化技术

供稿人：戚书豪、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
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

碳化硅陶瓷具有低密度和高温力学性能强等优势，在航空涡轮发动机热端部件、超音速飞行器热保护系统等领域有广阔的应用前景。陶瓷光固化3D打印技术为复杂陶瓷零件的高精度制造提供了新的发展机会，目前氧化物陶瓷如氧化铝、氧化锆、氧化硅等材料的光固化3D打印技术较为成熟，而碳化硅陶瓷材料相比氧化物陶瓷具有更高的紫外线吸收率，从而导致光固化成形过程中紫外光无法穿透较厚的液态陶瓷浆料，造成固化单层厚度不足，难以打印大型复杂零件，并且影响层间结合强度，导致成形件性能较差。

深圳大学增材制造研究所曹继伟等开发出了一种表面预氧化、面曝光3D打印结合后处理原位转化技术制备碳化硅材料的方法[1]，该方法的具体步骤如图1所示。首先将碳化硅粉体在1200℃下预氧化4小时，此时碳化硅粉体的外层被氧化成了二氧化硅，形成了二氧化硅壳层包裹的碳化硅结构，随后将预氧化的粉体与液态光敏树脂和酚醛树脂混合，得到打印所需的陶瓷浆料。测试结果表明，改性后的陶瓷浆料对405nm紫外光的吸收率从0.36下降到了0.28，从而使紫外线对于陶瓷浆料的投射深度6.32μm上升到了12.82μm，大幅增加了打印的单层厚度。随后，将打印零件在氩气中通过两步法烧结，当烧结温度达到600℃时，陶瓷零件中的酚醛树脂转化为疏松多孔的热解碳，当烧结温度达到1400℃时，碳化硅粉体中的二氧化硅外壳与热解碳发生反应原位转化为碳化硅，最终成形零件的氧含量仅为2.08%，从而证明了该方法成形高纯度碳化硅材料的能力。

图1 通过表面预氧化处理制备碳化硅陶瓷材料的流程图

此外，由于酚醛树脂热解过程产生的热解碳具有疏松多孔的特征，在后处理原位转化的过程中，二氧化硅外壳与热解碳反应生成了碳化硅纳米晶须和颗粒状碳化硅两种微观结构，其中碳化硅纳米晶须在材料断裂的过程中会产生“桥接效应”，在一定程度上抵抗断裂的发生，在提高成形件力学性能方面也有重要作用。该团队使用上述开发的方法成功打印了多种碳化硅陶瓷构件（如图2所示），证明了这种工艺具备稳定成形复杂零件的能力，对于未来发展高精度、大尺寸的碳化硅陶瓷光固化打印技术具有重要的推动作用。

图2 通过碳化硅表面预氧化面曝光3D打印和原位转化技术制备的复杂零件

参考文献：
Jiwei C ,Kai M ,Shufeng X , et al. 3D printing and in situ transformation of SiCnw/SiC structures[J]. Additive Manufacturing,2022,58.