3D打印導電碳化硅（SiC）陶瓷技術，可解決傳統(tǒng)金屬導體與溫度相關的電性能

南極熊導讀：碳化硅是一種由硅和碳組成的半導體，是世界上第三硬的材料，本文將進一步討論通過3D打印技術解決傳統(tǒng)制造難題。

2022年8月27日，南極熊獲悉，一組研究人員最近在《增材制造》雜志上發(fā)表了一篇論文，該論文證明了利用大桶光聚合3D打印技術打印的導電碳化硅（SiC）陶瓷，可以有效解決傳統(tǒng)導電陶瓷（ECCs）在高溫下的電性能問題。

△碳化硅示意圖

技術背景
導電陶瓷（ECC）由于其高導熱性、增強的耐磨性和耐腐蝕性以及在高溫下更大的硬度，被廣泛應用于，如電池、氣體傳感器、燃料電池和催化劑支架。

雖然導電陶瓷的致密結(jié)構(gòu)有利于提高導熱性，但它阻礙了陶瓷的熱管理能力。因此，該材料在高溫下通常表現(xiàn)出與溫度有關的電氣行為。

導電陶瓷結(jié)構(gòu)必須在幾個長度尺度上進行設計，從宏觀到納米，以開發(fā)一個導電陶瓷，在600℃以上的溫度下顯示出高導電性和電穩(wěn)定性。

然而，由于陶瓷的脆性，很難將其加工成復雜的形狀。然而，隨著3D打印技術的發(fā)展，已被證明，該技術是制造具有定制結(jié)構(gòu)的導電陶瓷最佳方案。

目前，對3D打印導電陶瓷的研究主要集中在半導體，如導電碳化硅陶瓷，作為3D打印的輸入材料，并使用粘合劑噴射或直接墨水書寫技術進行制造。

然而，使用使用該打印技術受到結(jié)構(gòu)分辨率限制，并且不具備實現(xiàn)實際應用（如催化劑和微波光學）所需的電氣性能。

經(jīng)研究，在不同的3D打印技術中，大桶光聚合3D打印技術，更適合打印蜂窩狀或格子狀的陶瓷，因為它可以精確地操縱打印的宏觀結(jié)構(gòu)，并高分辨率地打印精細特征。

使用大桶光聚合技術打印的陶瓷經(jīng)加熱處理后得到的空心陶瓷結(jié)構(gòu)很輕，并表現(xiàn)出與固體陶瓷相似的硬度。

此外，由于3D打印特有的逐層制造特點，填充材料在打印過程中被均勻地分布在三維空間中，這促進了制造結(jié)構(gòu)的導電性。

△該研究發(fā)表在科學指南，題目為《3D打印導電碳化硅》點我獲取更多信息（傳送門）

大桶光聚合3D打印技術
研究團隊通過該3D打印技術，制造出同時具有低導熱性和高導電性的3D打印導電碳化硅陶瓷。

擁有納米級多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的介孔二氧化硅被用作原料材料，以有效實現(xiàn)隔熱特性。石墨烯，一種導電的填充材料，被加入到陶瓷混合物中，以便在陶瓷中形成一個導電的網(wǎng)絡。

最初，聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）、石墨烯和15wt%的介孔二氧化硅被混合，以獲得石墨烯/二氧化硅混合物。然后將0.5wt%的苯基雙（2,4,6-三甲基苯甲�；�）氧化膦作為紫外線（UV）光引發(fā)劑加入到所制備的混合物。此外，還加入了0.04wt%的2-硝基苯基苯硫醚，即光吸收劑，以促進高分辨率的印刷。

多孔二氧化硅和石墨烯的重量比從0.015 wt%到0.1 wt%不等。在混合物中加入2wt%的PEGDA的分散劑，以防止固體顆粒的沉淀和聚集。采用超聲機將前體混合兩小時，以制備石墨烯/二氧化硅墨水。

隨后，在多孔二氧化硅/石墨烯納米復合材料的制備過程中，采用了定制的基于掩膜圖像投影的大桶光聚合打印機。使用火花等離子體燒結(jié)（SPS）工藝對3D打印陶瓷結(jié)構(gòu)進行燒結(jié)。

△生產(chǎn)碳化硅和磨料的工業(yè)企業(yè)

成功3D打印出多孔導電碳化硅陶瓷樣品
經(jīng)觀察，大桶光聚合3D打印工藝打印層的厚度為0.05毫米，且具有良好的結(jié)構(gòu)完整性。

在石墨烯-二氧化硅納米復合材料中，石墨烯片被楔入多孔二氧化硅支架中。熱解后，石墨烯滲入硅氧烷網(wǎng)絡，形成堅固的碳化硅基質(zhì)。

當燒結(jié)溫度低于1400℃時，在打印的樣品中觀察到了無定形結(jié)構(gòu)，而在1400℃時觀察到了β相碳化硅和二氧化硅方石英，表明一部分硅氧鍵被硅碳鍵取代，多孔原料二氧化硅在惰性高溫環(huán)境下結(jié)晶。

沒有形成硅碳鍵的碳物質(zhì)，在二氧化硅骨架上被滲入，形成了很多孔隙。此外，由于羰基和亞甲基的氣體揮發(fā)，形成了新的孔隙。這兩個因素在限制高溫下的大幅收縮方面發(fā)揮了關鍵作用。因此，在打印和燒結(jié)的樣品中，都沒有觀察到實質(zhì)性的收縮。

在燒結(jié)的導電陶瓷中觀察到中孔結(jié)構(gòu)，孔徑為10-150納米。3D打印的導電陶瓷顯示出較低的導熱性，范圍從62到88 mW/mK。由于石墨烯的強面內(nèi)結(jié)合，隨著石墨烯濃度的增加，熱導率略有增加。

打印的多孔樣品有效地隔絕了熱傳導，樣品溫度成功地保持在89.2℃，表明其卓越的熱性能。

0.02wt%的石墨烯/二氧化硅樣品承受了46.625MPa的最大壓應力，而在具有0.10wt%石墨烯/二氧化硅納米復合材料的導電陶瓷中，觀察到失敗時的最高壓應變?yōu)?.142。

經(jīng)SPS處理的0.10wt%石墨烯/二氧化硅石墨烯-二氧化硅納米復合材料顯示出最大的抗壓強度為57.947MPa，與未處理的樣品相比高出96.19%，說明SPS處理有效地加強了樣品的機械性能。

同時，電導率隨著石墨烯濃度從0.02到0.1 0wt%的上升而增加，表明由于石墨烯的滲入而形成了導電通路。打印的導電陶瓷的最高電導率為680 S m-1，與傳統(tǒng)的導電陶瓷復合材料相比，其電導率大幅提高，這是因為多孔原料二氧化硅為石墨烯滲流提供了高比表面積。

最終，3D打印陶瓷的最小和最大體積密度值，分別為0.366 g cm-3至0.897 g cm-3，該樣品表現(xiàn)出極輕的結(jié)構(gòu)。此外，3D打印的導電陶瓷在用于由64個發(fā)光二極管（LED）和5V直流供電的微控制器板組成的電路時，顯示出穩(wěn)定的電氣性能。

由于其良好的熱管理能力，打印的陶瓷從室溫到600℃都保持著恒定的電阻率，表明3D打印的導電碳化硅不容易受溫度變化的影響。此外，多孔結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了一個熱屏障，以保持穩(wěn)定的導電性和保護導電網(wǎng)絡。

總而言之，這項研究的結(jié)果證明了在高溫環(huán)境下工作的應用中，使用3D打印導電多孔SiC陶瓷的可行性，以及解決傳統(tǒng)金屬導體與溫度相關的電性能問題。