3D打印常压烧结碳化硅陶瓷研究获进展

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文章导读

你是否想过，一种能承受1500℃高温、强度媲美高端合金的陶瓷，竟能像塑料一样被“打印”成复杂形状？碳化硅陶瓷因难加工长期受限，而中国科学院上海硅酸盐研究所团队一举突破瓶颈：创新采用材料挤出3D打印结合前驱体渗透与常压烧结复合工艺，不仅 Eliminate 游离硅相，更将烧结收缩率从超20%骤降至6.38%，实现近零变形精密制造。所制陶瓷密度高、导热强，高温强度不衰减，为半导体、新能源等极端环境装备提供了全新解决方案。这项硬核技术究竟如何实现？背后有哪些颠覆性设计？

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碳化硅陶瓷结构件在半导体制造、新能源等高端装备领域的需求日益增长。然而，碳化硅陶瓷因极高的硬度和显著的脆性，使其难以通过传统加工方法制造复杂结构件，这一技术瓶颈制约了其在高端装备中的应用。因此，3D打印技术成为突破碳化硅陶瓷制造瓶颈的关键途径。目前，3D打印方法制备的碳化硅陶瓷主要面向缺陷容忍度较高的反应烧结碳化硅陶瓷，但反应烧结碳化硅陶瓷中通常存在>30vol%的残余游离硅，硅熔点低于1410℃，导致其高温性能受限，进而限制了3D打印碳化硅陶瓷在极端服役环境下的应用场景。

针对上述问题，中国科学院上海硅酸盐研究所研究团队，提出了材料挤出（MEX）打印结合前驱体渗透裂解（PIP）与常压固相烧结的复合工艺路线。常压固相烧结路线可较好地避免硅相含量过多的问题，并提高材料在极端环境下的使用温度。但3D打印常压烧结碳化硅陶瓷中有机粘结剂含量高达40vol%至50vol%，烧结形成的孔隙会使材料收缩率超过20%，进而导致尺寸精度失控，使材料开裂。对此，团队提出了在3D打印多孔坯体中进行聚碳硅烷（PCS）前驱体的真空浸渍裂解，使其在1300℃下转化为原位纳米碳化硅颗粒填充孔隙，并构建内部微观支撑骨架。为解决坯体强度低的问题，团队进一步引入预烧结处理工艺，在增强坯体强度的同时保持适量开孔结构，以实现PCS高效渗透与缺陷控制。

该工艺实现了双重突破，即一方面在烧结过程中避免了游离硅相的生成，使材料具备优异的高温力学性能；另一方面通过PIP过程中形成的碳化硅骨架，有效抑制了烧结收缩，并将线性收缩率从21.71%降低至6.38%。研究显示，制备的碳化硅陶瓷密度可达3.17g·cm⁻³，抗弯强度为359MPa，弹性模量为381GPa，热导率达165.76W·m⁻¹·K⁻¹，且在1500℃高温环境下仍能保持357MPa的抗弯强度，为极端环境下使用复杂结构碳化硅陶瓷部件的精密制造提供了技术支撑。