供稿人:關(guān)志強(qiáng) 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-05-20
近年來(lái)，碳化硅陶瓷復(fù)合材料因其比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)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(guò)選擇性激光燒結(jié)（SLS）、直接墨水寫(xiě)入（DIW）、粘合劑噴射（BJ）、立體光刻（SL）和層壓對(duì)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(guó)科學(xué)院上海陶瓷研究所的張恒等人提出通過(guò)數(shù)字光處理（DLP）和液態(tài)硅浸漬（LSI）工藝來(lái)制備C_f/SiC復(fù)合材料的新方法。整個(gè)過(guò)程如圖1所示，包括三個(gè)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(guò)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(shí)間60s，曝光功率88mw/〖cm〗^2，分層厚度25μm，固化厚度為40μm。并以此來(lái)開(kāi)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(duì)DLP技術(shù)對(duì)該類(lèi)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(lèi)材料的成型能力。其次，素坯經(jīng)過(guò)熱解后，成為了以碳纖維為碳源的碳坯，碳坯經(jīng)過(guò)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(guò)程中，液態(tài)硅被填充到坯體的孔隙和空心中。同時(shí)，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(shí)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(duì)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(qiáng)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。