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碳化硅陶瓷制備工藝之PEP技術(shù)的發(fā)展方向及前景

升華三維 2024-10-11 | 閱讀：488

碳化硅陶瓷材料具有良好的耐磨性,、導(dǎo)熱性,、抗氧化性及優(yōu)異的高溫力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn),。不僅在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用,，而且在半導(dǎo)體,、核能,、國防及空間技術(shù)等高科技領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷拓展,，應(yīng)用前景十分廣闊。

碳化硅陶瓷的主要制備工藝及應(yīng)用方向

碳化硅陶瓷在粉末的制備技術(shù)方面：溶膠－凝膠法,、化學(xué)氣相法和高溫自蔓燃法合成三足鼎立,；而在傳統(tǒng)成形技術(shù)方面：熱等靜壓、注漿成形,、擠壓和注射成型得到了廣泛應(yīng)用,。

碳化硅是強(qiáng)共價鍵結(jié)合的化合物，燒結(jié)時的擴(kuò)散速率相當(dāng)?shù)?，?dǎo)致其燒結(jié)致密化難度大,，為此發(fā)展出了多種碳化硅的燒結(jié)制備技術(shù)。目前,，較為成熟的工業(yè)化生產(chǎn)碳化硅陶瓷材料的主要方式有反應(yīng)燒結(jié),、常壓燒結(jié)和重結(jié)晶燒結(jié)、熱壓燒結(jié),、熱等靜壓燒結(jié),。此外，放電等離子燒結(jié),、閃燒,、振蕩壓力燒結(jié)等新型燒結(jié)技術(shù)也得到了研究與發(fā)展。用到較多的為反應(yīng)燒結(jié),、常壓燒結(jié)和重結(jié)晶燒結(jié)三種燒結(jié)技術(shù),，其所制備的碳化硅顯微結(jié)構(gòu)和性能及應(yīng)用領(lǐng)域也有不同。

不同燒結(jié)工藝制備的碳化硅陶瓷特點(diǎn)及應(yīng)用方向：

反應(yīng)燒結(jié)的燒結(jié)溫度低,，生產(chǎn)成本低,，制備的產(chǎn)品收縮率極小，致密化程度高,，適合大尺寸復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的制備,，反應(yīng)燒結(jié)碳化硅多用于高溫窯具、噴火嘴,、熱交換器,、光學(xué)反射鏡等方面。
常壓燒結(jié)的優(yōu)勢在于生產(chǎn)成本低,，對產(chǎn)品的形狀尺寸沒有限制，制備的產(chǎn)品致密度高,，顯微結(jié)構(gòu)均勻,，材料綜合性能優(yōu)異，所以更適合制備精密結(jié)構(gòu)件，如各類機(jī)械泵中的密封件,、滑動軸承及防彈裝甲,、光學(xué)反射鏡、半導(dǎo)體晶圓夾具等,。
重結(jié)晶碳化硅擁有純凈的晶相,，不含雜質(zhì)，且有較高的孔隙率,、優(yōu)異的導(dǎo)熱性和抗熱震性,，是高溫窯具、熱交換器或燃燒噴嘴的理想候選材料,。

PEP制備碳化硅陶瓷的特點(diǎn)及工藝優(yōu)勢

而相比于傳統(tǒng)的成型技術(shù),，3D打印技術(shù)具有智能、無模,、精密,、高復(fù)雜度的制造能力，它能夠完成傳統(tǒng)工藝不可能完成的制造,。而碳化物陶瓷沒有熔點(diǎn),，如碳化硅會在高溫下氧化成二氧化硅，或者是其他的氣體,、激光的作用下直接分解,，導(dǎo)致無法直接3D打印，需打印出一個素坯再去燒結(jié),。

升華三維通過獨(dú)創(chuàng)的粉末擠出打印技術(shù)（PEP）實(shí)現(xiàn)碳化硅陶瓷的近凈尺寸制備,，且性能可達(dá)到甚至超越鑄造工藝。PEP技術(shù)是一種“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的金屬／陶瓷間接3D打印工藝,，其合理避開了以激光為能量源的3D打印,，采用顆粒熔融擠出成型方式。通過先打印生坯,，然后再經(jīng)過合理的燒結(jié)等工藝,，得到性能優(yōu)良的碳化硅結(jié)構(gòu)件。

PEP的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

采用打印與燒結(jié)分開的工藝模式,，打印設(shè)備利用了螺桿擠出系統(tǒng),，不需要昂貴的高能量激光器件，能極大地減少3D打印設(shè)備投入成本,。
PEP具有低溫成型,、高溫成性的特性，可規(guī)避碳化硅陶瓷在制備過程中會出現(xiàn)比如氣孔,、裂紋,、不均一性等缺陷，能很大程度上實(shí)現(xiàn)高自由度結(jié)構(gòu)的碳化硅陶瓷產(chǎn)品制造及應(yīng)用。
PEP對主流的反應(yīng)燒結(jié),、常壓燒結(jié)和重結(jié)晶燒結(jié)技術(shù)均具有高適配性,，可充分利用原有工藝的脫脂燒結(jié)設(shè)備，節(jié)省工藝投入成本的同時,，幫助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)用戶快速實(shí)現(xiàn)增材制造的轉(zhuǎn)型升級,。
相比傳統(tǒng)注射成型工藝，充分發(fā)揮了3D打印的優(yōu)勢,，實(shí)現(xiàn)碳化硅陶瓷的快速制備,，可加快產(chǎn)品的開發(fā)與商業(yè)化時間。
采用顆粒材料,、無粉塵,、不含有害物質(zhì)，生坯可生新造料循環(huán)再使用,，有效利用率高,。

640 (2).jpg — ▲3D打印常壓燒結(jié)碳化硅樣品 ? 升華三維

PEP工藝制備碳化硅陶瓷的發(fā)展方向及前景

PEP技術(shù)在制備碳化硅陶瓷方面具有顯著的優(yōu)勢，但同時隨著碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,，對PEP工藝也提出更多挑戰(zhàn),。在碳化硅陶瓷制造中的發(fā)展方向主要包括：

材料創(chuàng)新：基于PEP工藝對材料的高適配性，快速開發(fā)新型碳化硅基復(fù)合材料,，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性,，助力科研型客戶的新材料新技術(shù)開發(fā)；
裝備研發(fā)：研究和開發(fā)更高效,、更大尺寸的PEP打印設(shè)備,，以滿足航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域?qū)Υ笮蛷?fù)雜結(jié)構(gòu)部件的需求,；
工藝優(yōu)化：通過材料應(yīng)用的深入,、不斷優(yōu)化打印參數(shù)和后處理工藝，提高碳化硅陶瓷部件的精度,、表面質(zhì)量和力學(xué)性能,；
應(yīng)用拓展：深化PEP技術(shù)在現(xiàn)有如空間反射鏡、高溫爐具,、熱交換器,、晶圓載具等應(yīng)用，繼續(xù)深挖在空間技術(shù),、核工業(yè),、國防、光伏半導(dǎo)體等領(lǐng)域的應(yīng)用,。

640 (4).png — ▲3D打印反應(yīng)燒結(jié)碳化硅樣品（來源：升華三維）

隨著工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展,，對高性能陶瓷材料的需求不斷增長,，特別是在航空航天,、國防,、新能源和半導(dǎo)體等領(lǐng)域。而隨著研究的深入和技術(shù)的成熟,，PEP技術(shù)在碳化硅陶瓷制造中的應(yīng)用將更加廣泛,，能夠制造出更多復(fù)雜形狀和高性能的部件。PEP技術(shù)具成本效益優(yōu)勢,，能夠縮短生產(chǎn)周期,，降低生產(chǎn)成本，具有更高的材料利用率和更低的能耗,，符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的趨勢,。