SiC碳化硅陶瓷材料增材制造进展与挑战

以下文章来源于特陶人 ,作者JAC编辑部

谷专栏

SiC(碳化硅)及相关陶瓷材料因其低密度、高熔点、良好力学与热学性能、优异的抗氧化性能与化学稳定性,在航空航天、装甲防弹、空间反射镜、核能、化工与半导体等国防与工业重大领域具有广泛应用前景。然而,三维复杂异型SiC陶瓷材料面临较大困难与挑战。传统制造一般采用烧结-后加工或净尺寸成型-后烧结两种技术路径制造复杂异型的SiC陶瓷材料及其构件,然而都存在较大不足与缺点。

近年来,陶瓷材料增材制造 (3D打印) 技术发展迅速,为复杂异型的SiC碳化硅陶瓷材料及其构件的制造提供了创新技术途径。

北京理工大学的研究团队在Journal of Advanced Ceramics 期刊中发表了综述文章。该综述对于近年来获得发展的SiC碳化硅陶瓷增材制造技术,包括间接增材制造和直接增材制造技术,还总结了SiC碳化硅陶瓷增材制造面临的关键科学技术挑战,并对未来可能的机遇进行了展望。

本期谷.专栏将分享这篇综述的主要内容。

article_Sic论文下载链接:

https://www.sciopen.com/article/pdf/10.1007/s40145-021-0484-z.pdf

block SiC陶瓷增材制造技术分类

综述在详细调研归纳国内外近年来SiC陶瓷材料增材制造技术研究进展的基础上,重点对现有研究动态进行分类与分析。作者归纳了目前SiC陶瓷材料的增材制造技术主要有间接增材制造技术与直接增材制造技术两类:

article_Sic_1图1 SiC陶瓷材料在国防与工业重大领域具有广泛应用前景

-间接增材制造:通常首先采用较为成熟的聚合物增材制造方法,获得聚合物材料模版,再通过注浆成型、注凝成型、浆料浸渍、前驱体浸渍裂解、化学气相浸渗、液态硅熔渗、反应熔渗等传统陶瓷化手段获得SiC陶瓷材料坯体,再经过烧结或其他致密化手段获得最终的SiC陶瓷材料。然而,由于采用的是模板间接制造SiC陶瓷材料的技术路径,所获得的SiC陶瓷材料极易出现致密度低、缺陷较多、力学性能不足、制造精度差等技术不足。

article_Sic_2图2 SiC陶瓷材料间接增材制造基本流程

-直接增材制造:一般直接采用粘接剂喷射 (BJ)、三维印刷 (3DP)、熔融沉积 (FDM)、叠层制造 (LOM)、挤出成型 (Robocasting、EFF)、光固化成型 (SLA、DLP)、墨水直写成型 (DIW)、激光选区烧结 (SLS)或激光选区熔化 (SLM)、激光粉末床熔融成型(LPBF) 等增材制造技术,获得SiC陶瓷材料或其前驱材料生坯,再经脱胶/脱脂、烧结致密化及后处理后,获得最终的SiC陶瓷材料及其构件。

article_Sic_3图3 SiC陶瓷材料直接增材制造基本流程

综述基于采用的原料状态 (粉体、线材/带材、膏料、浆料、墨水) 原料状态不同对SiC陶瓷材料增材制造技术进行分类,分别归纳了不同SiC陶瓷材料增材制造技术研究进展,重点关注国际、国内本领域知名团队、高校与科研院所在该领域取得的研究进展。并针对每种技术的优缺点进行了评述。

article_Sic_4图4 按照原料状态,SiC陶瓷材料直接增材制造分类

article_Sic_5图5 不同增材制造原理图:(a) SLS, SLM, LPBF; (b) BJ; (c) 3DP; (d) FDM; (e) LOM; (f) Robocasting, EFF; (g) DIW; (h) SLA; (i) DLP

表1 SiC陶瓷材料直接增材制造成形精度对比

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block SiC陶瓷增材制造挑战与机遇

接下来,作者重点分析了SiC陶瓷材料增材制造领域未来可能面临的挑战与机遇。

1. 致密化与强韧化:目前增材制造SiC陶瓷材料的致密度与强度/韧性较传统制造仍有较大距离。如何发展新工艺,提高增材制造SiC陶瓷材料的致密性与强韧性,将是下一阶段重点需要解决的难题,这将直接决定增材制造SiC陶瓷材料能否真正工程化应用。

表2 增材制造SiC陶瓷材料致密度与力学性能对比

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article_Sic_8图6 增材制造SiC陶瓷材料致密度与强度与传统制造工艺对比仍有较大差距

article_Sic_9图7 增材制造SiC陶瓷材料致密化与强韧化途径

2. 缺陷定量化表征与精准控制:增材制造的工艺特点决定了陶瓷产品中难以避免存在较多缺陷。然而缺陷类型、缺陷产生原因以及缺陷精准抑制缺陷,目前尚未有系统关注。包括X-CT在内的无损检测技术发展为增材制造材料内部制造缺陷的精准化、定量化表征提供了新的方法。通过对增材制造陶瓷材料内部制造缺陷类型、缺陷源头与产生机理的精准分析,建立增材制造SiC陶瓷材料内部制造缺陷的精准控制策略,将是下一阶段需要重点关注的主要问题。

article_Sic_10图8 XCT技术应用于增材制造SiC陶瓷材料内部制造缺陷精准化表征

3. 复合材料化:陶瓷材料的本征脆性仍是SiC陶瓷材料难以规避的“宿命”难题。以1D、2D、3D增强相实现SiC陶瓷材料的复合材料化,将是今后SiC陶瓷材料增材制造的重要关注点。虽然目前已有一些采用晶须、短纤维等增强相在SiC陶瓷材料增材制造中的研究报道,但是连续纤维增强SiC陶瓷材料的增材制造仍是很大的难题。如何发展连续纤维增强SiC陶瓷基复合材料的高效增材制造技术,将是下一阶段本领域的重要突破口。

4. 结构化、功能化与结构功能一体化:通过轻量化构型设计、超材料设计等结构设计思路,结合增材制造技术成形复杂异型构件的独特优势,实现SiC陶瓷材料的结构化,将是今后陶瓷材料与结构设计结合的重要方向。此外,通过结构构型创新设计,实现增材制造SiC陶瓷材料结构在电磁、声学、光学、热学等方面的优异功能,也将是今后陶瓷材料与结构设计结合的另一增长点。最后,如何基于增材制造,实现SiC陶瓷材料结构功能一体化,获得诸如轻量化防热隔热一体化、轻量化电磁吸波一体化、轻量化抗冲击一体化等结构功能一体化结构,将是增材制造技术在陶瓷材料中的终极体现奥义之一。

5. 4D打印与其他先进发展方向:如何基于增材制造技术,发展增材制造SiC陶瓷材料的变形状、变性能、变功能的4D打印设计方法,或者突破其他先进发展方向 (如零膨胀、负泊松等),也是作者认为的SiC陶瓷材料增材制造领域未来新的闪光点。

增材制造技术的出现为SiC陶瓷材料的制造提供了崭新途径。在本期分享的综述中,作者系统归纳了SiC陶瓷材料目前间接增材制造、直接增材制造的研究进展情况,并对未来SiC陶瓷材料增材制造面临的挑战与机遇进行分析。该综述期待能为SiC陶瓷材料及其相关材料的增材制造研究提供一定参考。

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