碳化硅陶瓷具有強度高、硬度高、化學性能穩(wěn)定、導熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好等特點。碳化硅作為特種陶瓷中的結(jié)構(gòu)陶瓷類別，被廣泛應用于各種先進制造領域。
▲碳化硅陶瓷應用領域
反應燒結(jié)碳化硅制造相形見絀
反應燒結(jié)碳化硅（Reaction-Bonded Silicon Carbide, RBSC）是將原料成型體（碳化硅微粉、石墨、炭黑、粘結(jié)劑及各種添加劑）在1720度高溫下通過固相，液相和氣相相互間發(fā)生化學反應，同時進行致密化和規(guī)定組分的合成，得到近尺寸的燒結(jié)體過程。反應燒結(jié)碳化硅具有高溫強度大、抗氧化性強、耐酸堿腐蝕性強、熱穩(wěn)定性能好、熱導率高、硬度僅次于金剛石具有高耐磨性。現(xiàn)已被加工成碳化硅噴火嘴燒嘴套、橫梁輥棒、冷風管、輻射管、碳化硅耐磨內(nèi)襯等各種耐高溫，耐磨，耐腐蝕性產(chǎn)品。并廣泛應用于電力、鋼鐵、陶瓷、高溫窯爐、礦山、煤炭、石油、化工、機械制造等各個行業(yè)領域，并得到社會各界的廣泛認可。
▲反應燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品（來源網(wǎng)絡）
然而隨著國家高技術產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和需求的增加，碳化硅市場前景愈發(fā)廣闊，相應的應用要求也日趨嚴格。特別是在復雜碳化硅產(chǎn)品的制造方面，對航空航天、軍工、新能源和半導體等前沿技術領域發(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缺陷敏感性強、高溫燒結(jié)變形大、燒結(jié)后難以加工等特點，較難使用有模成型技術實現(xiàn)大尺寸、復雜結(jié)構(gòu)的碳化硅產(chǎn)品制造。相對高端前沿材料的應用普及就相形見絀，嚴重制約了其在高新技術的發(fā)展步伐。
3D打印有望成為新的突破點
盡管熱等靜壓、擠壓和注射成型已廣泛用于碳化硅產(chǎn)品成型體的制備。而相比于傳統(tǒng)的成型技術，3D打印技術具有智能、無模、精密、高復雜度的制造能力，它能夠完成傳統(tǒng)工藝不可能完成的制造。不過相對于塑料或金屬有固定的熔點，通過加熱融化后就可以進行粘貼。而碳化物陶瓷沒有熔點，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，導致無法直接3D打印，需打印出一個素坯再去燒結(jié)。從碳化硅的素壞成型工藝環(huán)節(jié)入手，再結(jié)合反應燒結(jié)工藝特性，使燒成的碳化硅陶瓷毛坯達到近凈成型，以減少后續(xù)加工量，并保證產(chǎn)品性能滿足使用要求，這將成為復雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷制備工藝的主要研究方向。
▲3D打印碳化硅樣品（樣品來源：升華三維）
目前，大多數(shù)3D打印SiC陶瓷方法中打印材料固含量較低、硅含量較高、力學性能較低。如直接墨水書寫（DIW）的墨水中的固相含量太低，會導致陶瓷坯體致密度較低；激光打印在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的熱應力難以避免產(chǎn)生裂紋，導致最終產(chǎn)品力學性能較差；而粘結(jié)劑噴射（BJP）限制了粉末填充密度，導致SiC體積分數(shù)受限；立體光刻（SLA）雖然能夠制備出高強度、高精度、高結(jié)構(gòu)均一性和復雜性的陶瓷坯體，但由于碳化硅的吸光特性，導致其在制備碳化硅部件時仍存在諸多技術瓶頸。因此，在提高碳化硅陶瓷的加工效率、降低制備成本成為亟待解決的問題。
PEP推動反應燒結(jié)碳化硅應用增長極
升華三維通過基于粉末擠出（PEP）自主研發(fā)的工業(yè)型獨立雙噴嘴3D打印機，可利用顆粒碳化硅基復合材料打印出具有一定結(jié)構(gòu)密度復雜結(jié)構(gòu)生坯，再結(jié)合反應燒結(jié)工藝，實現(xiàn)近尺寸、輕量化、一體化的碳化硅陶瓷產(chǎn)品制造。目前已成功進入到我國航空航天、核工業(yè)、電力化工、光伏半導體等高端制造領域，有望成為促進中國制造創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級的新工具，具有很高的應用價值。
隨著光伏、電子、半導體行業(yè)的崛起，科技的發(fā)展對芯片的需求量日益劇增，在晶圓制造的過程中普遍使用的石英晶圓載具，因其生產(chǎn)工藝和石英材料特性，使用壽命為3-6個月；而碳化硅晶圓載具代替石英，使用壽命可達5年以上，可顯著降低使用成本及維護維修停線造成的產(chǎn)能損失。某半導體領域客戶，利用PEP技術結(jié)合反應燒結(jié)工藝制造碳化硅晶圓載具，為晶圓載具的靈活結(jié)構(gòu)設計提供了支持，3D打印的一體化制備有效減少制作周期和生產(chǎn)成本。制備的碳化硅晶圓載具具備純度高、高溫強度高、耐熱沖擊、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)勢，在下游客戶生產(chǎn)中具備穩(wěn)定性好、使用壽命長、維護成本低等優(yōu)點。
▲3D打印碳化硅晶圓載具（來源：升華三維）
在空間探測領域，上海硅酸鹽研究所利用升華三維大尺寸獨立雙噴嘴打印機UPS-556系統(tǒng)的顆粒熔融沉積結(jié)合反應燒結(jié)制備SiC陶瓷新方法，成功制備了碳化硅陶瓷光學元件等高附加值組件，獲得廣泛關注。顆粒熔融打印方法避免了微重力條件下粉體打印潛在的危害，為未來空間3D打印提供了可能。此案例中的一體化、大尺寸、輕量化碳化硅反射鏡的成功制備，可有力地支撐國家遙感衛(wèi)星發(fā)展和空間基礎設施建設，提升了我國在遙感探測技術的核心競爭力。
▲碳化硅光學元件（來源：上海硅酸鹽研究所）
隨著碳化硅應用領域的不斷擴展，反應燒結(jié)碳化硅在電子、光電、航空航天和冶金等領域的應用也逐年增加，這將直接推動該應用市場的增長。碳化硅陶瓷制備技術的高速發(fā)展，使得其性能不斷提高，這將進一步推動碳化硅市場的發(fā)展。3D打印技術作為高端裝備制造領域的重要技術手段，始終致力于解決傳統(tǒng)制造工藝提出的挑戰(zhàn)，在實現(xiàn)特種陶瓷無模成形、縮減產(chǎn)品設計周期、精細陶瓷微結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著極其重要的作用，而反應燒結(jié)碳化硅工藝具有處理溫度低、時間短、不需要特殊及昂貴的設備、反應燒結(jié)胚件不收縮，尺寸幾乎不變、燒結(jié)過程無需加壓，可以制備大尺寸、形狀復雜的制品等特點�？梢钥吹�PEP技術結(jié)合無壓燒結(jié)工藝有望推動碳化硅3D打印成為極具吸引力的增長極。
致力創(chuàng)新智造，深研特種陶瓷/金屬制造
升華三維作為國內(nèi)金屬／陶瓷間接3D打印技術的引領者，已建成了集材料、設備、工藝一體化的生態(tài)運營體系。公司PEP技術成型工藝簡單，可以直接結(jié)合傳統(tǒng)粉末冶金成熟穩(wěn)定的工藝，其投入和維護成本相對更低；采用顆粒材料擠出打印方式，可以更大程度上減少材料的浪費，且生產(chǎn)過程更環(huán)保。升華三維一路逐夢前行，一直致力于間接3D打印技術的推廣和應用。目前正借助PEP技術與粉末冶金工藝深度融合，不斷實現(xiàn)碳化硅陶瓷等陶瓷/金屬材料在不同應用領域的創(chuàng)新制造，為滿足航空航天、軍工國防、電子信息、工業(yè)制造等的復雜結(jié)構(gòu)、輕量化、高性能需求提供高質(zhì)量服務方案。
