選擇性激光燒結法制備復雜結構SiC / Si復合陶瓷的性能優(yōu)化

供稿人:孟佳麗 連芩
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

2020年1月西安交通大學Suocheng Song及其研究團隊研究了使用選擇性激光燒結法(selective laser sintering，簡稱SLS)制備SiC/Si制造工藝與性能優(yōu)化的方法，分析了環(huán)氧樹脂對SiC / Si復合材料性能和微觀結構的影響。在此基礎上，采用反應性較低的石墨作為緩釋碳源，避免毛細管通道堵塞，提高性能。測試了不同溫度點的彎曲強度，與文獻中室溫下的最佳抗彎強度相比，抗彎強度的峰值增加了55％。

SiC / Si零件的制造流程如圖1所示，通過“材料混合——切層——打印——脫脂——反應”最終得到SiC / Si零件。使用的原料為SiC、石墨和環(huán)氧樹脂均，漿料均勻混合，根據(jù)CAD模型打印出零件素坯。對素坯進行熱重分析制定出合適的脫脂燒結工藝曲線。該研究通過制定兩步燒結法，將脫脂和反應工藝同時完成，在低溫度段，環(huán)氧樹脂熱解素坯形成SiC / C多孔結構；在高溫度段，Si熔化，通過毛細力進入多孔SiC / C坯體，與C進行反應，最終形成致密的SiC / Si零件，滲硅示意圖見圖2所示。

圖1 工藝流程圖

圖2 滲硅示意圖

對環(huán)氧樹脂，石墨的直徑和最終燒結溫度對最終形成的SiC / Si零件的機械強度的影響分析發(fā)現(xiàn)，當環(huán)氧樹脂含量為5wt%，10wt%和15wt%時，SiC / C坯體的孔隙率會隨之減小，最終形成的SiC / Si零件三點彎曲強度也環(huán)氧樹脂含量成反比。在對比粒徑為25μm和10μm的石墨影響，發(fā)現(xiàn)當石墨的粒徑為10μm時，孔隙率降低并且碳密度穩(wěn)定地增加。這種趨勢有助于提高SiC / Si復合材料的機械性能。因此，小尺寸的球形石墨可以有效地填充預成型坯中的孔并提高碳密度。對燒結溫度和石墨含量的研究發(fā)現(xiàn)，1300℃，20wt%的石墨添加會達到最高的彎曲強度。

參考文獻：
Song S, Gao Z, Lu B, et al. Performance optimization of complicated structural SiC/Si composite ceramics prepared by selective laser sintering[J]. Ceramics International, 2020, 46(1): 568-575.