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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：795

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(jià)鍵結(jié)合的化合物，燒結(jié)時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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。