基于立體光刻技術的輕質高強C_f/SiC陶瓷增材制造

供稿人:關志強 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

近年來，碳化硅陶瓷復合材料因其比強度高、導熱性好、膨脹系數(shù)低等優(yōu)點而受到廣泛關注。然而，在航空航天等領域，采用傳統(tǒng)制造工藝很難制備結構復雜的精密零件。3D打印技術的發(fā)展為復雜復合材料零件的制造提供了一條有效途徑。通過選擇性激光燒結（SLS）、直接墨水寫入（DIW）、粘合劑噴射（BJ）、立體光刻（SL）和層壓對象制造（LOM）制備的SiC陶瓷復合材料都顯示出良好的前景。

中國科學院上海陶瓷研究所的張恒等人提出通過數(shù)字光處理（DLP）和液態(tài)硅浸漬（LSI）工藝來制備C_f/SiC復合材料的新方法。整個過程如圖1所示，包括三個部分：碳纖維漿料的制備；碳纖維預制件的3D打印及熱解為以碳纖維為碳源的碳坯；液態(tài)硅滲透碳坯以形成致密的C_f/SiC復合材料。所制備的漿料固相含量為20.86vol%，通過研究碳纖維漿料的固化性能和打印精度，找到了一組最佳打印參數(shù)：曝光時間60s，曝光功率88mw/〖cm〗^2，分層厚度25μm，固化厚度為40μm。并以此來開展復雜結構碳纖維的立體光刻。

圖1 打印原理

首先，對DLP技術對該類材料的成型精度做了表征。結果顯示，制件成型尺寸偏差小于5%，并打印了圖2所示的網格結構、桁架結構、矩形塊體結構、十四面體堆疊結構和八面體交叉結構，這些結構都具有良好的表面質量和精細的內部結構，證明了DLP打印該類材料的成型能力。其次，素坯經過熱解后，成為了以碳纖維為碳源的碳坯，碳坯經過高溫滲硅處理后，便轉化為了C_f/SiC復合材料，表征了燒結樣品的微觀結構和相組成，在反應燒結過程中，液態(tài)硅被填充到坯體的孔隙和空心中。同時，碳纖維被用作碳源，轉化為碳化硅，并在原始碳化硅表面沉淀，生成的碳化硅體積膨脹，從而促進復合材料的致密化。燒結樣品的XRD結果，也證實了樣品在硅化后存在Si、SiC和未反應的碳纖維。

圖2 打印制件

最后，對制件的力學性能進行了表征，制件的密度為2.75g/〖cm〗^3，彎曲強度為262.6MPa，斷裂韌性為1.8MPam^(1⁄2)。制件具有更輕的密度和優(yōu)異的力學性能。這種制造策略，在制備具有復雜幾何形狀的致密陶瓷零件方面具有巨大潛力。
參考文獻：

    張恒，楊勇，惠可輝，等。 基于立體光刻技術的輕質高強C_f/SiC陶瓷增材制造[J]. 增材制造.2020。 34：頁。 101199。