碳化硅(silicon carbide,SiC)陶瓷材料具有耐高溫、抗氧化、耐磨損、耐腐蝕、高比模量和比強度等優(yōu)良性能，在各類新應用場景的需求正在逐漸增多，例如核工業(yè)領(lǐng)域的大尺寸復雜形狀 SiC 陶瓷核反應堆芯；集成電路制造關(guān)鍵裝備光刻機的 SiC 陶瓷工件臺、導軌、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)件和電子半導體高端芯片生產(chǎn)制程用精密高純 SiC 陶瓷結(jié)構(gòu)件。

但是由于 SiC 是 Si-C 鍵很強的共價鍵化合物，硬度僅次于金剛石，具有極高的硬度和顯著的脆性，精密加工難度大。因此，大尺寸、復雜異形中空結(jié)構(gòu)精密 SiC 結(jié)構(gòu)件的制備難度較高，限制了 SiC 陶瓷在諸如集成電路這類的高端裝備制造領(lǐng)域中的廣泛應用，而增材制造(additive manufacturing,AM)技術(shù)無需模具，采用逐層疊加制造的原理，理論上可整體成形任意復雜結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)復雜陶瓷構(gòu)件整體化、輕量化、復雜化成形的有效途徑，可以有效解決這一難題。艾邦建有3D打印陶瓷微信群，歡迎3D打印陶瓷材料、設(shè)備、加工、下游應用等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)加入。長按下方二維碼，關(guān)注公眾號，通過底部菜單“微信群”即可加入：

一、SiC 陶瓷增材制造的工藝技術(shù)

1、SiC 陶瓷增材制造工藝

SiC 陶瓷增材制造工藝的原料可以分為粉末、漿料/膏體、絲材、片材等。粉末成形工藝包括激光選區(qū)燒結(jié)(selective laser sintering,SLS)和三維噴印(three-dimensional printing,3DP)；漿料/膏體成形工藝包括光固化(stereolithography,SL)和墨水直寫成形(direct ink writing,DIW)；絲材增材成形工藝一般指熔融沉積成形(fused deposition modeling,FDM)；片材增材成形工藝一般指薄材疊層成形(laminated object manufacturing,LOM)。

圖?SiC陶瓷增材制造工藝種類

目前，基于增材制造的 SiC 復雜構(gòu)件整體成形工藝通常包括以下步驟：首先，設(shè)計并制備增材適應性原料，包括粉末、漿料/膏體、絲材和片材等；然后，通過增材制造工藝成形得到具有復雜結(jié)構(gòu)的 SiC 陶瓷坯體；再對 SiC 陶瓷坯體進行碳化處理得到SiC陶瓷預制體；最后，對 SiC 陶瓷預制體進行燒結(jié)(包括反應燒結(jié)、化學氣相滲透、先驅(qū)體浸漬裂解等)，得到最終的 SiC 陶瓷制品。

2、SiC 陶瓷增材制造難點

• 增材制造成形 SiC 陶瓷構(gòu)件的精度和力學性能與傳統(tǒng)工藝相比仍存在一定差距；
• 大型一體化(米級尺寸)或小型精細化(微米級精度) SiC 構(gòu)件的增材制造仍存在一定技術(shù)難題；
• 增材制造工藝與材料間的內(nèi)在聯(lián)系尚不明確，如何通過工藝調(diào)控實現(xiàn)材料形狀、性能的協(xié)同控制仍是當前亟待解決的問題;
• SiC 陶瓷構(gòu)件增材制造還未建立完整的工藝和評價標準，工業(yè)化應用推廣仍存在一定難度。

3、SiC 增材制造后處理工藝

二、增材制造SiC陶瓷的應用

1、光刻機用精密SiC陶瓷部件

2、空間反射鏡

3、航空發(fā)動機葉片

2024年6月21日

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