當(dāng)前位置：上海硅酸鹽所在3D打印常壓燒結(jié)碳化硅陶瓷研究中取得新進(jìn)展
碳化硅（SiC）陶瓷結(jié)構(gòu)件在半導(dǎo)體制造、新能源等高端裝備領(lǐng)域的需求日益增長(zhǎng)。在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，SiC陶瓷主要用于光刻機(jī)工件臺(tái)、導(dǎo)軌、陶瓷吸盤、手臂等運(yùn)動(dòng)部件，其高剛性、低熱膨脹系數(shù)確保了設(shè)備在納米級(jí)運(yùn)動(dòng)精度下的穩(wěn)定運(yùn)行。在新能源光伏領(lǐng)域，SiC陶瓷取代傳統(tǒng)的石英材料，用于擴(kuò)散爐和LPCVD設(shè)備的舟托等載具部件，能使使用壽命提升5倍以上。然而，SiC陶瓷極高的硬度和顯著的脆性使其難以通過(guò)傳統(tǒng)加工方法制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，這一技術(shù)瓶頸嚴(yán)重制約了其在高端裝備中的應(yīng)用。3D打印技術(shù)成為突破SiC陶瓷制造瓶頸的關(guān)鍵途徑。目前，3D打印方法制備的SiC陶瓷主要面向缺陷容忍度較高的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷，但反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷中存在大量殘余游離硅（通常>30vol%），硅熔點(diǎn)低于1410℃，導(dǎo)致其高溫性能嚴(yán)重受限，大大限制了3D打印SiC陶瓷極端服役環(huán)境下的應(yīng)用場(chǎng)景。
針對(duì)上述難題，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所黃政仁研究員團(tuán)隊(duì)陳健研究員創(chuàng)新性地提出材料擠出（MEX）打印結(jié)合前驅(qū)體滲透裂解（PIP）與常壓固相燒結(jié)的復(fù)合工藝路線。常壓固相燒結(jié)路線很好的避免硅相含量過(guò)多的問(wèn)題，可以提高材料在極端環(huán)境下使用溫度，但3D打印常壓燒結(jié)SiC陶瓷中有機(jī)粘結(jié)劑含量高達(dá)40-50vol%，燒結(jié)形成的孔隙會(huì)導(dǎo)致材料收縮率超過(guò)20%，尺寸精度嚴(yán)重失控，甚至導(dǎo)致材料開(kāi)裂。為此，團(tuán)隊(duì)提出在3D打印多孔坯體中進(jìn)行聚碳硅烷（PCS）前驅(qū)體的真空浸漬裂解，使其在1300℃下轉(zhuǎn)化為原位納米SiC顆粒填充孔隙，構(gòu)建內(nèi)部微觀支撐骨架。此外，為解決坯體強(qiáng)度低的問(wèn)題，進(jìn)一步引入預(yù)燒結(jié)處理工藝（1750-2050℃），在增強(qiáng)坯體強(qiáng)度的同時(shí)保持適量開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)PCS高效滲透與缺陷控制。該工藝實(shí)現(xiàn)了雙重突破：一方面在燒結(jié)過(guò)程中完全避免了游離硅相的生成，使材料具備優(yōu)異的高溫力學(xué)性能；另一方面通過(guò)PIP過(guò)程中形成的SiC骨架有效抑制了燒結(jié)收縮，將線性收縮率從21.71%大幅降低至6.38%。最終制備的SiC陶瓷密度達(dá)到3.17 g·cm?3，抗彎強(qiáng)度為359 MPa，彈性模量為381 GPa，熱導(dǎo)率高達(dá)165.76 W·m?1·K?1，在1500℃高溫環(huán)境下仍保持357 MPa的抗彎強(qiáng)度，為極端環(huán)境下使用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)SiC陶瓷部件的精密制造提供了可靠的技術(shù)支撐。
相關(guān)研究成果發(fā)表Additive Manufacturing, 2025, 113, 105024（https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.105024），申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng)，論文第一作者為上海硅酸鹽所直博生高晨溪，通訊作者為陳健研究員與黃政仁研究員。該研究獲國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助和支持。
MEX-3D打印SiC陶瓷流程圖
PIP工藝抑制MEX結(jié)合常壓固相燒結(jié)SiC陶瓷的尺寸收縮
3D打印常壓固相燒結(jié)SiC陶瓷的力熱性能
