中國(guó)粉體網(wǎng)訊 碳化硅陶瓷具有優(yōu)異的耐磨性,、耐腐蝕,、耐高溫,、抗氧化以及低熱膨脹系數(shù)等性能,，是航空航天,、電子信息等領(lǐng)域中的關(guān)鍵材料,，特別是大型復(fù)雜碳化硅陶瓷構(gòu)件,，如高分辨率空間遙感衛(wèi)星反射鏡鏡坯,、大規(guī)模集成電路光刻機(jī)用激光反射鏡、高防護(hù)系數(shù)飛行器陶瓷裝甲,、高超聲速飛行器熱端部件及熱防護(hù)系統(tǒng)等的整體成形技術(shù),，對(duì)航空航天等國(guó)家安全和前沿技術(shù)發(fā)展有著重要的戰(zhàn)略意義。然而,，由于碳化硅陶瓷材料具有高溫?zé)Y(jié)變形大,、缺陷敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)，燒結(jié)后難以加工，因此大型復(fù)雜碳化硅陶瓷構(gòu)件的整體成形成為世界性難題,。
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。
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；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,；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。
圖1 粘結(jié)劑包覆粉體制備方法
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,。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,。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2）,，解決3D打印陶瓷素坯強(qiáng)度低,、效率低、成形尺寸小等問題,，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,。
圖2 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
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3）
圖3 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
整體成形出碳化硅陶瓷復(fù)合材料構(gòu)件（圖4），相對(duì)密度＞99%,，抗彎強(qiáng)度＞250 MPa,。
圖4 粉末床熔融整體成形碳化硅復(fù)合材料構(gòu)件
（a）航天反射鏡鏡坯,；（b）光刻機(jī)方鏡
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,，還開展陶瓷3D打印裝備及工藝的研發(fā),，形成了工作臺(tái)250mm×250mm、1000mm×1000mm（圖5）,、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5 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à1300℃升溫和1300℃à10℃驟冷循環(huán)次數(shù)相較常規(guī)3D打印SiC材料提升超過300%,，基于該工藝制備的小型3D打印SiC復(fù)合材料構(gòu)件已通過初步考核試驗(yàn)（圖6）,。
圖6 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
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7），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,。
圖7 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,，但存在難加工等問題,。為此，通過材料和工藝聯(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。
因此研究,，2019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,。
來源：華中科技大學(xué)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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