基于碳化硅陶瓷預(yù)氧化表面改性的面曝光3D打印和原位轉(zhuǎn)化技術(shù)

供稿人：戚書豪、連芩
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

碳化硅陶瓷具有低密度和高溫力學(xué)性能強(qiáng)等優(yōu)勢，在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件、超音速飛行器熱保護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。陶瓷光固化3D打印技術(shù)為復(fù)雜陶瓷零件的高精度制造提供了新的發(fā)展機(jī)會，目前氧化物陶瓷如氧化鋁、氧化鋯、氧化硅等材料的光固化3D打印技術(shù)較為成熟，而碳化硅陶瓷材料相比氧化物陶瓷具有更高的紫外線吸收率，從而導(dǎo)致光固化成形過程中紫外光無法穿透較厚的液態(tài)陶瓷漿料，造成固化單層厚度不足，難以打印大型復(fù)雜零件，并且影響層間結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致成形件性能較差。

深圳大學(xué)增材制造研究所曹繼偉等開發(fā)出了一種表面預(yù)氧化、面曝光3D打印結(jié)合后處理原位轉(zhuǎn)化技術(shù)制備碳化硅材料的方法[1]，該方法的具體步驟如圖1所示。首先將碳化硅粉體在1200℃下預(yù)氧化4小時(shí)，此時(shí)碳化硅粉體的外層被氧化成了二氧化硅，形成了二氧化硅殼層包裹的碳化硅結(jié)構(gòu)，隨后將預(yù)氧化的粉體與液態(tài)光敏樹脂和酚醛樹脂混合，得到打印所需的陶瓷漿料。測試結(jié)果表明，改性后的陶瓷漿料對405nm紫外光的吸收率從0.36下降到了0.28，從而使紫外線對于陶瓷漿料的投射深度6.32μm上升到了12.82μm，大幅增加了打印的單層厚度。隨后，將打印零件在氬氣中通過兩步法燒結(jié)，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到600℃時(shí)，陶瓷零件中的酚醛樹脂轉(zhuǎn)化為疏松多孔的熱解碳，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1400℃時(shí)，碳化硅粉體中的二氧化硅外殼與熱解碳發(fā)生反應(yīng)原位轉(zhuǎn)化為碳化硅，最終成形零件的氧含量僅為2.08%，從而證明了該方法成形高純度碳化硅材料的能力。

圖1 通過表面預(yù)氧化處理制備碳化硅陶瓷材料的流程圖

此外，由于酚醛樹脂熱解過程產(chǎn)生的熱解碳具有疏松多孔的特征，在后處理原位轉(zhuǎn)化的過程中，二氧化硅外殼與熱解碳反應(yīng)生成了碳化硅納米晶須和顆粒狀碳化硅兩種微觀結(jié)構(gòu)，其中碳化硅納米晶須在材料斷裂的過程中會產(chǎn)生“橋接效應(yīng)”，在一定程度上抵抗斷裂的發(fā)生，在提高成形件力學(xué)性能方面也有重要作用。該團(tuán)隊(duì)使用上述開發(fā)的方法成功打印了多種碳化硅陶瓷構(gòu)件（如圖2所示），證明了這種工藝具備穩(wěn)定成形復(fù)雜零件的能力，對于未來發(fā)展高精度、大尺寸的碳化硅陶瓷光固化打印技術(shù)具有重要的推動(dòng)作用。

圖2 通過碳化硅表面預(yù)氧化面曝光3D打印和原位轉(zhuǎn)化技術(shù)制備的復(fù)雜零件

參考文獻(xiàn)：
Jiwei C ,Kai M ,Shufeng X , et al. 3D printing and in situ transformation of SiCnw/SiC structures[J]. Additive Manufacturing,2022,58.