激光粉末床熔合法制备三周期极小曲面Si/SiC陶瓷晶格

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　
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

SiC陶瓷晶格结构由于其优越的比强度和多种热性能，在高价值工程领域的需求日益增加。随着增材制造技术的发展，制造复杂结构的SiC陶瓷称为可能。华中科技大学史玉升等人【1】将Gyroid型三周期极小曲面（TPMS）结构引入到SiC复合材料中，系统地进行了一种新型的增材制造、力学性能和断裂机制的实验分析以及相关的有限元模拟验证的集成工艺。

该研究团队采用激光粉末床熔合（LPBF）结合液态硅熔渗（LSI）工艺制备Si/SiC陶瓷晶格结构示意图如图1所示。原材料粉末由85wt%SiC（D0.5=46μm）与15wt%环氧树脂E12（D0.5=13μm）粉末混合而成。LPBF加工参数为：激光功率为10W，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为0.12mm，粉末层厚度为0.1mm。打印的素坯在氩气气氛下进行碳化处理以去除环氧树脂后，在真空环境下浸渍酚醛树脂并进行固化和碳化以提高碳密度，最终在1500℃下进行LSI得到最终的Si/SiC陶瓷晶格结构。

图1 Si/SiC陶瓷晶格结构制造工艺流程图

制造的Si/SiC陶瓷晶格结构如图2所示。经测试，Si/SiC复合材料的体积密度为2.687~2.747g/cm3，开孔率为0.275~0.676%，收缩率多数小于6％，制造精度高；随着体积分数的增加，观察到Si/SiC三周期极小曲面结构沿载荷方向断裂带由45°面向竖直面过渡；不同体积分数的Si/SiC材料应力分布相似，应力水平随体积分数的增大而增大，应力集中可能出现在支板中部；当体积分数从25%增加到55%时，Si/SiC复合材料的弹性模量从121.9MPa增加到932.0MPa，抗压强度从2.3MPa增加到16.3MPa。相对模量和抗压强度的拟合表达式与Gibson-Ashby模型相比具有更高的精度，表明Si/SiC陶瓷晶格结构是弯曲主导的变形模式。

图2 不同体积分数Si/SiC陶瓷晶格结构变形行为及断裂模式

该研究成果实现了Si/SiC三周期极小曲面陶瓷晶格结构的制备、力学性能分析和断裂带转变分析的集成流程。此外，所提出的有限元分析方法可以对任意形状的陶瓷晶格的力学特性和断裂行为进行预测，对结构设计具有指导意义，也为基于SiC陶瓷的三周期极小曲面结构的实际应用提供了指导。

参考文献：
S. Wu, L. Yang, C. Wang, C. Yan, Y. Shi Si/sic ceramic lattices with a triply periodic minimal surface structure prepared by laser powder bed fusion Addit. Manuf., 56 (2022), Article 102910