華科史玉升教授團(tuán)隊(duì)復(fù)雜碳化硅陶瓷構(gòu)件3D打印成套技術(shù)

為此，華中科技大學(xué)材料學(xué)院史玉升教授團(tuán)隊(duì)提出復(fù)雜碳化硅陶瓷構(gòu)件的激光粉末床熔融、粘結(jié)劑噴射/光固化復(fù)合3D打印成套技術(shù)，在湖北武漢建立研究和產(chǎn)業(yè)化基地，在湖北黃石設(shè)立中試基地，從碳化硅陶瓷粉末床3D打印的材料、裝備、工藝、產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入系統(tǒng)地研究，主要技術(shù)指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先，解決了高性能大型復(fù)雜碳化硅陶瓷復(fù)合材料構(gòu)件的整體成形難題?；诖耍?019年教育部批準(zhǔn)成立“增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心”，相關(guān)研究成果獲第二十三屆中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)、第一屆湖北專利金獎(jiǎng)、2021年日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)等，具體進(jìn)展如下： 

在材料方面：發(fā)明了高增材適應(yīng)性粉體制備方法（圖1），實(shí)現(xiàn)了粘結(jié)劑均勻包覆粒料、纖維粉體的制備【中國(guó)發(fā)明專利ZL 200710051863.1，中國(guó)發(fā)明專利ZL 200810048011.1，中國(guó)發(fā)明專利ZL 202111044831.5】；提出了高效機(jī)械混合碳化硅顆粒、碳纖維、粘結(jié)劑復(fù)合粉體的制備方法，有效改善粉末床成形預(yù)制體的力學(xué)性能【J. Eur. Ceram. Soc. 40(2020): 5186-5195】；建立復(fù)合材料堆積體對(duì)激光能量吸收的物理模型，為激光粉末床熔融3D打印復(fù)合材料粉末設(shè)計(jì)及成形預(yù)制體質(zhì)量調(diào)控提供理論支持。

在裝備方面：研制出大臺(tái)面復(fù)雜陶瓷構(gòu)件粉末床3D打印方法與裝備（圖2），目前本團(tuán)隊(duì)商業(yè)化的陶瓷激光粉末床熔融3D打印裝備最大成形尺寸達(dá)1700 mm×1700 mm×600 mm。該裝備具有多激光、多振鏡的掃描系統(tǒng)，配備海量數(shù)據(jù)處理軟件，解決了多激光振鏡協(xié)同工作、海量數(shù)據(jù)處理、形坯原位成形、清粉、后固化處理等難題，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜陶瓷構(gòu)件一體化成形【中國(guó)發(fā)明專利ZL201910447966.2，美國(guó)發(fā)明專利US11305456，歐洲發(fā)明專利EP3744506，日本發(fā)明專利JP6896817，俄羅斯發(fā)明專利RU2745247C1】。在激光粉末床熔融3D打印裝備的基礎(chǔ)上，研制出一種高強(qiáng)度大型復(fù)雜陶瓷素坯及其粘結(jié)劑噴射/光固化復(fù)合成形方法與裝備（圖3），解決3D打印陶瓷素坯強(qiáng)度低、效率低、成形尺寸小等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度大型復(fù)雜陶瓷素坯的高效3D打印成形【中國(guó)發(fā)明專利CN202210982246.8】。

圖2 大型復(fù)雜陶瓷構(gòu)件激光粉末床熔融3D打印裝備原理圖 ：11-激光器，12-振鏡，13-保溫層，14-加熱裝置，15-鋪粉刮板，16-鋪粉缸，17-成形缸，18-成形缸缸壁，19-成形形坯，110-成形臺(tái)面，111-成形缸缸壁升降裝置，112-SLS設(shè)備升降裝置，113-導(dǎo)軌輪，6-導(dǎo)軌，115-地面

圖3 大型復(fù)雜陶瓷粘結(jié)劑噴射/光固化復(fù)合成形裝備原理圖：10-殼體，11-紫外光激光器，12-紫外光振鏡/反射鏡，13紅外光反射鏡，14-紅外光激光器，15-保溫層，16-粉床預(yù)熱單元，17-鋪粉輥，18-送粉缸，19-集成噴嘴，20-隔離單元，110-成形缸，112-成形缸升降機(jī)構(gòu)

在成形工藝方面：發(fā)明碳纖維/碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件的激光粉末床熔融整體3D打印方法（圖4）【中國(guó)發(fā)明專利ZL201710238622.1，美國(guó)發(fā)明專利US 11021402，歐洲發(fā)明專利RU 2728429，日本發(fā)明專利JP 6859441】，建立工藝參數(shù)、預(yù)制體微觀結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料構(gòu)件性能之間的耦合關(guān)系，揭示預(yù)制體在反應(yīng)燒結(jié)后的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律和相界面成形機(jī)制【J. Alloys Compd. 792 (2019) 1045-1053】，闡明碳纖維對(duì)碳化硅復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理【J. Eur. Ceram. Soc. 38 (2018) 4604-4613】；建立碳前驅(qū)體懸浮液浸漬預(yù)制體強(qiáng)化方法，研究酚醛樹(shù)及添加納米炭黑對(duì)碳化硅性能的影響規(guī)律，從動(dòng)力學(xué)角度闡明了預(yù)制體浸滲碳源的物化特性與最終碳化硅陶瓷復(fù)合材料微觀組織的關(guān)系【Ceram. Int. 46 (2020) 12102–12110.; Ceram. Int. (2022)】。整體成形出碳化硅陶瓷復(fù)合材料構(gòu)件（圖5），相對(duì)密度＞99%，抗彎強(qiáng)度＞250?MPa。

圖4 碳纖維/碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件的激光粉末床熔融整體3D打印方法

圖5 粉末床熔融整體成形碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件

在產(chǎn)業(yè)化方面：史玉升教授團(tuán)隊(duì)技術(shù)孵化的武漢華科三維科技有限公司，是華中地區(qū)資歷雄厚的專業(yè)3D打印裝備、工藝及材料的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，注冊(cè)資本6000萬(wàn)元人民幣，除了從事高分子和金屬3D打印裝備與工藝外，還開(kāi)展陶瓷3D打印裝備及工藝的研發(fā)，形成了工作臺(tái)面250mm×250mm、1000mm×1000mm（圖6）、1700mm×1700mm等系列碳化硅陶瓷3D打印成套裝備，并實(shí)現(xiàn)商品化。成套裝備及其工藝成功應(yīng)用于中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院、哈爾濱東安動(dòng)力、寧波伏爾肯、成都光電技術(shù)研究所、清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等科研院所和公司等，用于復(fù)雜陶瓷構(gòu)件的整體成形。

圖6 武漢華科三維科技有限公司生產(chǎn)的激光粉末床熔融裝備-HK C1000，（a）1 m裝備整體圖；（b）激光振鏡掃描系統(tǒng)；（c）雙向鋪粉系統(tǒng)

在飛行器熱端構(gòu)件應(yīng)用方面：采用3D打印制備了耐高溫?zé)g和抗熱沖擊的SiC復(fù)合材料，通過(guò)在材料內(nèi)引入一維陶瓷纖維，結(jié)合特殊孔道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重的同時(shí)保持良好的耐燒蝕性能（1650℃×1h空氣氣氛條件下質(zhì)量損失率≤0.05g/m2?s）和抗熱沖擊性性能：其室溫?1300℃升溫和1300℃?10℃驟冷循環(huán)次數(shù)相較常規(guī)3D打印SiC材料提升超過(guò)300%，基于該工藝制備的小型3D打印SiC復(fù)合材料構(gòu)件已通過(guò)初步考核試驗(yàn)（圖7）。

圖7 3D打印SiC構(gòu)件抗熱沖擊性能測(cè)試和構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖：（a）抗熱沖擊測(cè)試（升溫）；（b）抗熱沖擊測(cè)試（降溫）；（c）高溫多孔SiC構(gòu)件；（d）熱沖擊測(cè)試溫度曲線；（e）不同3D打印SiC樣件1300℃~室溫急冷急熱循環(huán)后的宏觀形貌

在碳化硅吸波器件應(yīng)用方面：采用激光粉末床熔融結(jié)合碳熱還原制備了一種新型的木材生物質(zhì)廢料衍生的多孔碳化硅納米線/碳化硅復(fù)合材料吸波器（圖8），用于結(jié)構(gòu)-功能一體化電磁波吸收。建立了碳熱還原溫度對(duì)3D打印生物質(zhì)碳材料反應(yīng)生成多孔碳化硅的影響機(jī)制，闡明多孔碳化硅復(fù)合材料異質(zhì)界面、孔結(jié)構(gòu)與電磁波吸收之間的內(nèi)在聯(lián)系。最終得到的多孔碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件的最小反射損耗為-49.01 dB，有效吸收帶寬為5.1 GHz，在空氣中的熱失重率僅為0.6%，在惡劣環(huán)境下具有廣泛的應(yīng)用前景?！綱irtual Phys. Prototy. 17 (2022) 718-733】

圖8 激光粉末床熔融制造的多孔碳化硅復(fù)合材料吸波器：（a）吸波機(jī)理和（b）吸波效能；（c~e）生物質(zhì)復(fù)雜構(gòu)件坯體；（f）多孔碳化硅復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)吸波器

在碳化硅極小曲面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面：通過(guò)激光粉末床熔融技術(shù)結(jié)合液相滲硅反應(yīng)燒結(jié)工藝成形出碳化硅極小曲面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，對(duì)碳化硅點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造、力學(xué)性能等進(jìn)行了系統(tǒng)研究（圖9）。該碳化硅點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有較高的制造精度和較低的收縮率(小于6%)，建立的有限元模擬模型可以準(zhǔn)確地驗(yàn)證和預(yù)測(cè)碳化硅極小曲面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)和斷裂行為(大多數(shù)偏差小于20%)。此外，采用理論模型與有限元模擬結(jié)合的方式闡明了體積分?jǐn)?shù)對(duì)碳化硅極小曲面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)壓縮斷裂帶的影響機(jī)制，為優(yōu)化碳化硅極小曲面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和3D打印提供了重要理論指導(dǎo)。【Addit. Manuf. 56 (2022) 102910】

圖9 激光粉末床熔融制造的碳化硅極小曲面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)分析及相關(guān)有限元模擬驗(yàn)證

在碳化硅模具應(yīng)用方面：由于碳化硅具有高強(qiáng)度、高硬度、高導(dǎo)熱等特性，是最佳的模具材料，但存在難加工等問(wèn)題。為此，通過(guò)材料和工藝聯(lián)合研究，充分利用碳化硅材料的優(yōu)勢(shì)，哈爾濱某光電科技有限公司用武漢華科三維生產(chǎn)的3D打印打印裝備成形出滿足玻璃鏡片要求的碳化硅模具。

來(lái)源：3D打印技術(shù)參考，作者：史玉升教授團(tuán)隊(duì)