上海硅酸鹽所在碳化硅陶瓷增材制造研究方面取得新進(jìn)展

來源： 上海硅酸鹽所

碳化硅（SiC）陶瓷結(jié)構(gòu)件在各類新應(yīng)用場景的需求正在逐漸增多，其中包括核工業(yè)領(lǐng)域的大尺寸復(fù)雜形狀SiC陶瓷核反應(yīng)堆芯,；集成電路制造關(guān)鍵裝備光刻機(jī)的SiC陶瓷工件臺、導(dǎo)軌,、反射鏡,、陶瓷吸盤、手臂等,；新能源鋰電池生產(chǎn)配套的中高端精密SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件,；光伏行業(yè)生產(chǎn)用擴(kuò)散爐配套高端精密SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件和電子半導(dǎo)體高端芯片生產(chǎn)制程用精密高純SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件。但是由于SiC 是Si-C鍵很強(qiáng)的共價(jià)鍵化合物,，硬度僅次于金剛石,，具有極高的硬度和顯著的脆性，精密加工難度大,。因此,，大尺寸、復(fù)雜異形中空結(jié)構(gòu)精密SiC 結(jié)構(gòu)件的制備難度較高,，限制了SiC 陶瓷在諸如集成電路這類的高端裝備制造領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用,，3D打印技術(shù)可以有效解決這一難題。3D打印SiC陶瓷制備技術(shù)已成為目前SiC陶瓷研究和應(yīng)用的主要發(fā)展方向之一,。目前3D打印SiC陶瓷主要為反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷,，大多數(shù)密度低于2.95g·cm-3，硅含量通常大于30vol%,，甚至高達(dá)50vol%,，由于硅熔點(diǎn)低于1410℃，導(dǎo)致其使用溫度較低,，大大限制了3D打印SiC陶瓷在半導(dǎo)體領(lǐng)域（如LPCVD）的應(yīng)用場景,。

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所黃政仁研究員團(tuán)隊(duì)陳健研究員在前期提出高溫熔融沉積結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)3D打印SiC陶瓷的基礎(chǔ)上（additive manufacturing，2022,，58,102944）,，進(jìn)一步將陶瓷打印體等效碳密度從0.80 g·cm-3提高至接近理論等效碳密度0.91 g·cm-3，等效碳密度的增加導(dǎo)致滲硅難度呈指數(shù)級提升,，直接液相滲硅容易阻塞通道導(dǎo)致滲硅失效,。近期研究團(tuán)隊(duì)提出了氣相與液相滲硅聯(lián)用逐次滲硅方法，通過氣相熔滲反應(yīng)形成多孔SiC殼層,，避免高碳密度的陶瓷打印體在液相滲硅初期發(fā)生快速劇烈反應(yīng),，同時(shí)限制液態(tài)硅與固體碳的接觸面積，這樣不會發(fā)生熔滲通道的堵塞,，使得后續(xù)的液相反應(yīng)能夠緩慢且持續(xù)地進(jìn)行,。最終制備的SiC陶瓷密度可達(dá)3.12 g·cm-3，硅含量降低至10vol%左右，抗彎強(qiáng)度和彈性模量分別達(dá)到了465MPa和426GPa,，力學(xué)性能與常壓固相燒結(jié)SiC陶瓷相當(dāng),，可以極大提高SiC陶瓷環(huán)境使用溫度。相關(guān)研究成果發(fā)表在J. Eur. Ceram. Soc.（doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.09.059）,，申請中國發(fā)明專利2項(xiàng),，其中1項(xiàng)已授權(quán)（ZL202211260158.3），論文第一作者為上海硅酸鹽所碩士畢業(yè)生李凡凡和博士畢業(yè)生祝明,，通訊作者為陳健研究員和黃政仁研究員,。相關(guān)研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金面上,、上海市自然科學(xué)基金面上等項(xiàng)目的資助和支持,。

△3D打印SiC陶瓷示意圖

△氣相滲硅形成的多孔SiC殼層

△采用氣相和液相聯(lián)用滲硅得到的SiC陶瓷力學(xué)性能