供稿人:趙洪炯 魯中良 發(fā)布日期：2017-12-19
碳化硅具有高硬度、高導(dǎo)熱抗腐蝕的特點(diǎn)，多運(yùn)用于航空航天、先進(jìn)摩擦系統(tǒng)、高溫反應(yīng)堆以及半導(dǎo)體等領(lǐng)域。
直寫成型技術(shù)（或稱為自動(dòng)注漿成型技術(shù)）是一種無模成型的方法，該技術(shù)以流體為基本漿料，將其從容器的針頭中擠出，并通過計(jì)算機(jī)控制三維平臺(tái)帶動(dòng)針頭運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將擠出漿料按照預(yù)定軌跡在立體空間中進(jìn)行布設(shè)并固化成型，最終獲得具有三維復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的器件。
來自清華大學(xué)、馬德里自治大學(xué)和俄克拉荷馬州立大學(xué)的學(xué)者研究出一種利用直寫成型技術(shù)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷的方法。具體過程如下：通過直寫成型的方法制造出具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的素坯，原理如圖1。然后通過低壓火花等離子燒結(jié)得到致密的實(shí)體結(jié)構(gòu)。由SiC，Al2O3和Y2O3顆粒組成的總固相體積分?jǐn)?shù)為44%的水基膠體，這種膠體的流變性具有假塑性的特點(diǎn)。以該膠體為“墨水”，從直徑為150微米到330微米之間的擠出頭擠出成型，累積得到圓柱形或者長方形的形狀，如圖2。打印成型結(jié)束后，經(jīng)過干燥以及在1700℃的氬氣氛圍里經(jīng)過低壓火花等離子體燒結(jié)的煅燒工藝得到最終樣品，如圖3。最終樣品的平均晶粒大小為1-2μm，密度達(dá)到理論密度的97%以上，燒結(jié)過程的線性收縮率在22.8%以下。
圖1 （a）（b）（c）為圓柱形的原理示意圖 （d）（e）（f）為長方形的原理示意圖
圖2 （a）是干燥之后圓柱形的圖片，（b）是圓柱形的俯視圖和側(cè)視圖， （c）是長方形的圖，（d）方形樣品的兩層相鄰連接處的圖片，（e）表面形貌
圖3 素坯的圖片（左）和燒結(jié)之后的圖片（右）
該研究成果利用具有剪切變稀性質(zhì)的假塑性流體漿料作為“墨水”，應(yīng)用直寫成型技術(shù)，結(jié)合等離子燒結(jié)等技術(shù)，制作出碳化硅陶瓷樣品，證實(shí)了用直寫成型技術(shù)打印SiC的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可行性，為未來進(jìn)一步打印復(fù)雜形狀的碳化硅陶瓷提供基礎(chǔ)。