基于碳化硅陶瓷預氧化表面改性的面曝光3D打印和原位轉(zhuǎn)化技術(shù)

供稿人：戚書豪、連芩
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

碳化硅陶瓷具有低密度和高溫力學性能強等優(yōu)勢，在航空渦輪發(fā)動機熱端部件、超音速飛行器熱保護系統(tǒng)等領域有廣闊的應用前景。陶瓷光固化3D打印技術(shù)為復雜陶瓷零件的高精度制造提供了新的發(fā)展機會，目前氧化物陶瓷如氧化鋁、氧化鋯、氧化硅等材料的光固化3D打印技術(shù)較為成熟，而碳化硅陶瓷材料相比氧化物陶瓷具有更高的紫外線吸收率，從而導致光固化成形過程中紫外光無法穿透較厚的液態(tài)陶瓷漿料，造成固化單層厚度不足，難以打印大型復雜零件，并且影響層間結(jié)合強度，導致成形件性能較差。

深圳大學增材制造研究所曹繼偉等開發(fā)出了一種表面預氧化、面曝光3D打印結(jié)合后處理原位轉(zhuǎn)化技術(shù)制備碳化硅材料的方法[1]，該方法的具體步驟如圖1所示。首先將碳化硅粉體在1200℃下預氧化4小時，此時碳化硅粉體的外層被氧化成了二氧化硅，形成了二氧化硅殼層包裹的碳化硅結(jié)構(gòu)，隨后將預氧化的粉體與液態(tài)光敏樹脂和酚醛樹脂混合，得到打印所需的陶瓷漿料。測試結(jié)果表明，改性后的陶瓷漿料對405nm紫外光的吸收率從0.36下降到了0.28，從而使紫外線對于陶瓷漿料的投射深度6.32μm上升到了12.82μm，大幅增加了打印的單層厚度。隨后，將打印零件在氬氣中通過兩步法燒結(jié)，當燒結(jié)溫度達到600℃時，陶瓷零件中的酚醛樹脂轉(zhuǎn)化為疏松多孔的熱解碳，當燒結(jié)溫度達到1400℃時，碳化硅粉體中的二氧化硅外殼與熱解碳發(fā)生反應原位轉(zhuǎn)化為碳化硅，最終成形零件的氧含量僅為2.08%，從而證明了該方法成形高純度碳化硅材料的能力。

圖1 通過表面預氧化處理制備碳化硅陶瓷材料的流程圖

此外，由于酚醛樹脂熱解過程產(chǎn)生的熱解碳具有疏松多孔的特征，在后處理原位轉(zhuǎn)化的過程中，二氧化硅外殼與熱解碳反應生成了碳化硅納米晶須和顆粒狀碳化硅兩種微觀結(jié)構(gòu)，其中碳化硅納米晶須在材料斷裂的過程中會產(chǎn)生“橋接效應”，在一定程度上抵抗斷裂的發(fā)生，在提高成形件力學性能方面也有重要作用。該團隊使用上述開發(fā)的方法成功打印了多種碳化硅陶瓷構(gòu)件（如圖2所示），證明了這種工藝具備穩(wěn)定成形復雜零件的能力，對于未來發(fā)展高精度、大尺寸的碳化硅陶瓷光固化打印技術(shù)具有重要的推動作用。

圖2 通過碳化硅表面預氧化面曝光3D打印和原位轉(zhuǎn)化技術(shù)制備的復雜零件

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