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在航天航空領(lǐng)域，氮化硅（Si3N4）與碳化硅（SiC）憑借其獨特性能成為高性能陶瓷材料的“雙子星”。氮化硅以輕量化、耐高溫和抗沖擊性見長，碳化硅則以高導(dǎo)熱性和抗輻射性能著稱。隨著升華三維粉末擠出3D打印技術(shù)（PEP技術(shù)）的突破，這兩種材料的應(yīng)用邊界正被不斷拓寬，為航天器性能提升和成本優(yōu)化帶來新機(jī)遇。

氮化硅的3D打印革新：從結(jié)構(gòu)材料到功能器件

航空發(fā)動機(jī)核心部件的升級

氮化硅陶瓷葉片是航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)制造工藝難以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高精度要求。升華三維的PEP技術(shù)通過顆粒熔融擠出成型，結(jié)合粉末冶金脫脂燒結(jié)工藝，成功制備出耐高溫、高耐磨的氮化硅渦輪葉片，在高溫燃燒環(huán)境中表現(xiàn)出卓越的熱穩(wěn)定性，可替代傳統(tǒng)鎳基合金，使發(fā)動機(jī)熱效率提升15%以上。此外，PEP技術(shù)還可優(yōu)化燃燒室與噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過拓?fù)鋬?yōu)化形成樹形多級孔道，進(jìn)一步提升熱防護(hù)性能。

▲PEP打印的氮化硅渦輪葉片樣品 ?升華三維

透波功能件的一體化制備

氮化硅陶瓷的高介電性能使其成為高超音速飛行器雷達(dá)罩的理想材料。傳統(tǒng)雙溶劑模板法雖能實現(xiàn)輕量化（孔隙率56%），但復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型精度受限。PEP技術(shù)通過顆粒材料熔融擠出，可直接打印出具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的雷達(dá)罩，電磁波傳輸效率提升至98%以上。例如，升華三維為某航天項目定制的氮化硅雷達(dá)罩，采用多孔晶格填充設(shè)計，在減輕重量30%的同時，仍保持優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和透波性能。

▲氮化硅殼體結(jié)構(gòu)燒結(jié)樣品 ?升華三維

碳化硅的3D打印突破：從微反應(yīng)器到光學(xué)系統(tǒng)

微反應(yīng)器的性能革新

碳化硅微反應(yīng)器在航天化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。PEP技術(shù)憑借低溫成型與高溫?zé)Y(jié)工藝，成功制備出高性能碳化硅微反應(yīng)器，其耐高溫、抗腐蝕性能較傳統(tǒng)材質(zhì)提升60%，反應(yīng)效率從78%躍升至92%。此外，PEP技術(shù)制備的碳化硅微反應(yīng)器可適用于深空探測器的燃料合成系統(tǒng)，實現(xiàn)資源循環(huán)利用的高效催化反應(yīng)。

▲PEP一體化成型的碳化硅微反應(yīng)器 ?升華三維

光學(xué)元件的大尺寸精密制造

碳化硅的高比剛度和熱穩(wěn)定性使其成為空間光學(xué)反射鏡的首選材料。傳統(tǒng)膠態(tài)成型工藝難以實現(xiàn)復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)，而PEP技術(shù)結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)工藝，能制造出輕量結(jié)構(gòu)一體化的大尺寸碳化硅反射鏡，解決了傳統(tǒng)工藝加工誤差大、成本高的問題。例如，中科院上海硅酸鹽研究所利用升華三維UPS-556系統(tǒng)，通過PEP技術(shù)打印出碳化硅光學(xué)元件，經(jīng)拋光后處理，其力學(xué)性能接近傳統(tǒng)反應(yīng)燒結(jié)水平。

▲PEP工藝制備的RBSC反射鏡 ?升華三維（左）&上硅所（右）

PEP技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢與未來趨勢

工藝創(chuàng)新與成本優(yōu)化

PEP技術(shù)采用“3D打印+粉末冶金”的間接成型方式，避免了激光燒結(jié)的高成本和復(fù)雜性。通過低溫成型和高溫?zé)Y(jié)，熱應(yīng)力管理更高效，產(chǎn)品性能一致性顯著提升。例如，碳化硅熱交換器采用PEP技術(shù)制造，重量減輕50%，使用壽命延長3倍，成本降低40%。此外，獨立雙噴嘴設(shè)計允許同時打印金屬和陶瓷材料，支持Si?N?-SiC復(fù)合陶瓷的開發(fā)，為航天發(fā)動機(jī)葉片等極端工況部件提供解決方案。

▲PEP一體化成型的碳化硅微反應(yīng)器 ?升華三維

復(fù)合材料的協(xié)同發(fā)展

Si?N?-SiC復(fù)合陶瓷結(jié)合了氮化硅的韌性和碳化硅的硬度，可用于航天發(fā)動機(jī)葉片等極端工況部件。PEP技術(shù)通過雙噴嘴打印和反應(yīng)燒結(jié)，可實現(xiàn)兩種材料的梯度復(fù)合，進(jìn)一步提升抗裂性和耐高溫性能。例如，納米纖維增韌氮化硅的研究表明，其抗裂性可提升20%以上。

▲PEP獨立雙噴嘴的不同打印模式 ?升華三維

 空間3D打印的探索

PEP技術(shù)的顆粒熔融擠出方式避免了微重力環(huán)境下粉體打印的潛在危害，為未來空間制造提供可能。例如，在空間站或深空探測器上，可利用PEP技術(shù)現(xiàn)場打印氮化硅密封件或碳化硅散熱模塊，減少地面發(fā)射重量和成本。

結(jié)語

升華三維的粉末擠出3D打印技術(shù)為氮化硅和碳化硅在航天領(lǐng)域的應(yīng)用注入了新活力。通過工藝創(chuàng)新和智能化制造，這兩種材料正從單一結(jié)構(gòu)材料向多功能器件拓展，推動航天器性能突破與成本優(yōu)化。未來，隨著復(fù)合材料開發(fā)和空間制造技術(shù)的進(jìn)步，氮化硅與碳化硅的“雙雄爭霸”將引領(lǐng)航天材料進(jìn)入全新的復(fù)合化與智能化時代。