綜述：碳化硅陶瓷增材制造研究新進(jìn)展

來源：DT-Carbontech

碳化硅(SiC)陶瓷結(jié)構(gòu)件在各類新應(yīng)用場景的需求逐漸增多。例如，核工業(yè)領(lǐng)域的大尺寸復(fù)雜形狀SiC陶瓷核反應(yīng)堆芯；集成電路制造關(guān)鍵裝備光刻機(jī)的SiC陶瓷工件臺、導(dǎo)軌、反射鏡、陶瓷吸盤、手臂等；新能源鋰電池生產(chǎn)配套的中高端精密SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件；光伏行業(yè)生產(chǎn)用擴(kuò)散爐配套高端精密SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件和電子半導(dǎo)體高端芯片生產(chǎn)制程用精密高純SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件。

然而，由于SiC是Si-C鍵很強(qiáng)的共價(jià)鍵化合物，硬度僅次于金剛石，硬度高、脆性大，在加工過程中易產(chǎn)生缺陷，像復(fù)雜幾何形狀的碳化硅陶瓷構(gòu)件往往難以用傳統(tǒng)的加工技術(shù)制造，這在很大程度上制約了復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷的應(yīng)用，而3D打印技術(shù)可有效解決這一難題。

△3D打印SiC示意圖

3D打印SiC陶瓷制備技術(shù)已成為目前SiC陶瓷研究和應(yīng)用的發(fā)展方向之一。3D打印SiC陶瓷主要為反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷，多數(shù)密度低于2.95g·cm-3，硅含量通常大于30vol%甚至高達(dá)50vol%。由于硅熔點(diǎn)低于1410℃，導(dǎo)致硅使用溫度較低，限制了3D打印SiC陶瓷在半導(dǎo)體領(lǐng)域（如LPCVD）的應(yīng)用場景。

3D打印SiC陶瓷領(lǐng)域的新進(jìn)展
中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員黃政仁團(tuán)隊(duì)研究員陳健在前期提出高溫熔融沉積結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)3D打印SiC陶瓷的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將陶瓷打印體等效碳密度從0.80g·cm-3提高至接近理論等效碳密度0.91g·cm-3。等效碳密度的增加致使?jié)B硅難度呈指數(shù)級提升，直接液相滲硅易阻塞通道致使?jié)B硅失效。

△氣相滲硅形成的多孔SiC殼層

近期，該團(tuán)隊(duì)提出了氣相與液相滲硅聯(lián)用逐次滲硅方法，通過氣相熔滲反應(yīng)形成多孔SiC殼層，避免高碳密度的陶瓷打印體在液相滲硅初期發(fā)生快速劇烈反應(yīng)，同時(shí)限制液態(tài)硅與固體碳的接觸面積。這樣不會發(fā)生熔滲通道的堵塞，使得后續(xù)的液相反應(yīng)可緩慢且持續(xù)進(jìn)行。

△采用氣相和液相聯(lián)用滲硅得到的SiC陶瓷力學(xué)性能

該研究制備的SiC陶瓷密度可達(dá)3.12g·cm-3，硅含量降低至10vol%左右，抗彎強(qiáng)度和彈性模量分別達(dá)到465MPa和426GPa，力學(xué)性能與常壓固相燒結(jié)SiC陶瓷相當(dāng)，可提高SiC陶瓷環(huán)境使用溫度。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《歐洲陶瓷學(xué)會雜志》(Journal of the European Ceramic Society)上，并申請中國發(fā)明專利2項(xiàng)（其中1項(xiàng)已授權(quán)）。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和上海市自然科學(xué)基金等的支持。

SiC陶瓷增材制造挑戰(zhàn)與機(jī)遇

致密化與強(qiáng)韌化

目前增材制造SiC陶瓷材料的致密度與強(qiáng)度/韌性較傳統(tǒng)制造仍有較大距離。如何發(fā)展新工藝，提高增材制造SiC陶瓷材料的致密性與強(qiáng)韌性，將是下一階段重點(diǎn)需要解決的難題，這將直接決定增材制造SiC陶瓷材料能否真正工程化應(yīng)用。

△增材制造SiC陶瓷材料致密化與強(qiáng)韌化途徑

缺陷定量化表征與精準(zhǔn)控制

增材制造的工藝特點(diǎn)決定了陶瓷產(chǎn)品中難以避免存在較多缺陷。然而缺陷類型、缺陷產(chǎn)生原因以及缺陷精準(zhǔn)抑制缺陷，目前尚未有系統(tǒng)關(guān)注。包括X-CT在內(nèi)的無損檢測技術(shù)發(fā)展為增材制造材料內(nèi)部制造缺陷的精準(zhǔn)化、定量化表征提供了新的方法。通過對增材制造陶瓷材料內(nèi)部制造缺陷類型、缺陷源頭與產(chǎn)生機(jī)理的精準(zhǔn)分析，建立增材制造SiC陶瓷材料內(nèi)部制造缺陷的精準(zhǔn)控制策略，將是下一階段需要重點(diǎn)關(guān)注的主要問題。

復(fù)合材料化

陶瓷材料的本征脆性仍是SiC陶瓷材料難以規(guī)避的“宿命”難題。以1D、2D、3D增強(qiáng)相實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷材料的復(fù)合材料化，將是今后SiC陶瓷材料增材制造的重要關(guān)注點(diǎn)。雖然目前已有一些采用晶須、短纖維等增強(qiáng)相在SiC陶瓷材料增材制造中的研究報(bào)道，但是連續(xù)纖維增強(qiáng)SiC陶瓷材料的增材制造仍是很大的難題。如何發(fā)展連續(xù)纖維增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料的高效增材制造技術(shù)，將是下一階段本領(lǐng)域的重要突破口。

結(jié)構(gòu)化、功能化與結(jié)構(gòu)功能一體化

通過輕量化構(gòu)型設(shè)計(jì)、超材料設(shè)計(jì)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，結(jié)合增材制造技術(shù)成形復(fù)雜異型構(gòu)件的獨(dú)特優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷材料的結(jié)構(gòu)化，將是今后陶瓷材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合的重要方向。此外，通過結(jié)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)增材制造SiC陶瓷材料結(jié)構(gòu)在電磁、聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等方面的優(yōu)異功能，也將是今后陶瓷材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合的另一增長點(diǎn)。最后，如何基于增材制造，實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷材料結(jié)構(gòu)功能一體化，獲得諸如輕量化防熱隔熱一體化、輕量化電磁吸波一體化、輕量化抗沖擊一體化等結(jié)構(gòu)功能一體化結(jié)構(gòu)，將是增材制造技術(shù)在陶瓷材料中的終極體現(xiàn)奧義之一。

4D打印與其他先進(jìn)發(fā)展方向

如何基于增材制造技術(shù)，發(fā)展增材制造SiC陶瓷材料的變形狀、變性能、變功能的4D打印設(shè)計(jì)方法，或者突破其他先進(jìn)發(fā)展方向(如零膨脹、負(fù)泊松等)，也是作者認(rèn)為的SiC陶瓷材料增材制造領(lǐng)域未來新的閃光點(diǎn)。