基于立體光刻技術(shù)的輕質(zhì)高強C_f/SiC陶瓷增材制造

供稿人:關(guān)志強 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

近年來,，碳化硅陶瓷復(fù)合材料因其比強度高,、導(dǎo)熱性好,、膨脹系數(shù)低等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注,。然而,，在航空航天等領(lǐng)域,，采用傳統(tǒng)制造工藝很難制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密零件,。3D打印技術(shù)的發(fā)展為復(fù)雜復(fù)合材料零件的制造提供了一條有效途徑。通過選擇性激光燒結(jié)（SLS）,、直接墨水寫入（DIW）,、粘合劑噴射（BJ）、立體光刻（SL）和層壓對象制造（LOM）制備的SiC陶瓷復(fù)合材料都顯示出良好的前景,。

中國科學(xué)院上海陶瓷研究所的張恒等人提出通過數(shù)字光處理（DLP）和液態(tài)硅浸漬（LSI）工藝來制備C_f/SiC復(fù)合材料的新方法,。整個過程如圖1所示，包括三個部分：碳纖維漿料的制備,；碳纖維預(yù)制件的3D打印及熱解為以碳纖維為碳源的碳坯,；液態(tài)硅滲透碳坯以形成致密的C_f/SiC復(fù)合材料。所制備的漿料固相含量為20.86vol%,，通過研究碳纖維漿料的固化性能和打印精度,，找到了一組最佳打印參數(shù)：曝光時間60s，曝光功率88mw/〖cm〗^2,，分層厚度25μm,，固化厚度為40μm。并以此來開展復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳纖維的立體光刻,。

圖1 打印原理

首先,，對DLP技術(shù)對該類材料的成型精度做了表征。結(jié)果顯示,，制件成型尺寸偏差小于5%,，并打印了圖2所示的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu),、矩形塊體結(jié)構(gòu),、十四面體堆疊結(jié)構(gòu)和八面體交叉結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)都具有良好的表面質(zhì)量和精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，證明了DLP打印該類材料的成型能力,。其次，素坯經(jīng)過熱解后,，成為了以碳纖維為碳源的碳坯,，碳坯經(jīng)過高溫滲硅處理后，便轉(zhuǎn)化為了C_f/SiC復(fù)合材料，表征了燒結(jié)樣品的微觀結(jié)構(gòu)和相組成,，在反應(yīng)燒結(jié)過程中,，液態(tài)硅被填充到坯體的孔隙和空心中。同時,，碳纖維被用作碳源,，轉(zhuǎn)化為碳化硅，并在原始碳化硅表面沉淀,，生成的碳化硅體積膨脹,，從而促進(jìn)復(fù)合材料的致密化。燒結(jié)樣品的XRD結(jié)果,，也證實了樣品在硅化后存在Si,、SiC和未反應(yīng)的碳纖維。

圖2 打印制件

最后,，對制件的力學(xué)性能進(jìn)行了表征,，制件的密度為2.75g/〖cm〗^3，彎曲強度為262.6MPa,，斷裂韌性為1.8MPam^(1⁄2),。制件具有更輕的密度和優(yōu)異的力學(xué)性能。這種制造策略,，在制備具有復(fù)雜幾何形狀的致密陶瓷零件方面具有巨大潛力,。
參考文獻(xiàn)：

    張恒，楊勇,，惠可輝,，等。 基于立體光刻技術(shù)的輕質(zhì)高強C_f/SiC陶瓷增材制造[J]. 增材制造.2020,。 34：頁,。 101199。