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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

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

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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。

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▲碳化硅陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域

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。


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▲碳化硅陶瓷制備的主要步驟

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)。

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▲升華三維PEP工藝流程示意圖

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。


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▲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。


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▲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。

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▲上海硅酸鹽研究所采用PEP工藝制備的大尺寸、輕量一體化碳化硅元件

升華三維現(xiàn)已建成完整的粉末擠出3D打印工藝鏈,支持從材料配方開發(fā)、打印設(shè)備定制、到脫脂燒結(jié)工藝靈活適配的解決方案,在碳化硅陶瓷制造中具有廣闊的發(fā)展前景,有望成為推動新材料發(fā)展和制造業(yè)創(chuàng)新的重要力量。


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