綜述：碳化硅陶瓷增材制造研究新進展

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鍵很強的共價鍵化合物，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50vol%。由于硅熔點低于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)域的新進展
中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員黃政仁團隊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，該團隊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3.12g·cm-3，硅含量降低至10vol%左右，抗彎強度和彈性模量分別達到465MPa和426GPa，力學(xué)性能與常壓固相燒結(jié)SiC陶瓷相當，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（其中1項已授權(quán)）。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金面上項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)與機遇

致密化與強韌化

目前增材制造SiC陶瓷材料的致密度與強度/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韌性，將是下一階段重點需要解決的難題，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韌化途徑

缺陷定量化表征與精準控制

增材制造的工藝特點決定了陶瓷產(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)生機理的精準分析，建立增材制造SiC陶瓷材料內(nèi)部制造缺陷的精準控制策略，將是下一階段需要重點關(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增強相實現(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。雖然目前已有一些采用晶須、短纖維等增強相在SiC陶瓷材料增材制造中的研究報道，但是連續(xù)纖維增強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、超材料設(shè)計等結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，結(jié)合增材制造技術(shù)成形復(fù)雜異型構(gòu)件的獨特優(yōu)勢，實現(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，實現(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)計結(jié)合的另一增長點。最后，如何基于增材制造，實現(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)計方法，或者突破其他先進發(fā)展方向(如零膨脹、負泊松等)，也是作者認為的SiC陶瓷材料增材制造領(lǐng)域未來新的閃光點。