碳化硅陶瓷增材制造研究新进展及其挑战与机遇

碳化硅(SiC)陶瓷结构件在各类新应用场景的需求逐渐增多。例如，核工业领域的大尺寸复杂形状SiC陶瓷核反应堆芯；集成电路制造关键装备光刻机的SiC陶瓷工件台、导轨、反射镜、陶瓷吸盘、手臂等；新能源锂电池生产配套的中高端精密SiC陶瓷结构件；光伏行业生产用扩散炉配套高端精密SiC陶瓷结构件和电子半导体高端芯片生产制程用精密高纯SiC陶瓷结构件。

然而，由于SiC是Si-C键很强的共价键化合物，硬度仅次于金刚石，硬度高、脆性大，在加工过程中易产生缺陷，像复杂几何形状的碳化硅陶瓷构件往往难以用传统的加工技术制造，这在很大程度上制约了复杂结构碳化硅陶瓷的应用，而3D打印技术可有效解决这一难题。

▲3D打印SiC陶瓷示意图

3D打印SiC陶瓷制备技术已成为目前SiC陶瓷研究和应用的发展方向之一。3D打印SiC陶瓷主要为反应烧结SiC陶瓷，多数密度低于2.95g·cm^-3，硅含量通常大于30vol%甚至高达50vol%。由于硅熔点低于1410℃，导致硅使用温度较低，限制了3D打印SiC陶瓷在半导体领域（如LPCVD）的应用场景。

3D打印SiC陶瓷领域的新进展

中国科学院上海硅酸盐研究所研究员黄政仁团队研究员陈健在前期提出高温熔融沉积结合反应烧结3D打印SiC陶瓷的基础上，进一步将陶瓷打印体等效碳密度从0.80g·cm^-3提高至接近理论等效碳密度0.91g·cm^-3。等效碳密度的增加致使渗硅难度呈指数级提升，直接液相渗硅易阻塞通道致使渗硅失效。

▲气相渗硅形成的多孔SiC壳层

近期，该团队提出了气相与液相渗硅联用逐次渗硅方法，通过气相熔渗反应形成多孔SiC壳层，避免高碳密度的陶瓷打印体在液相渗硅初期发生快速剧烈反应，同时限制液态硅与固体碳的接触面积。这样不会发生熔渗通道的堵塞，使得后续的液相反应可缓慢且持续进行。

▲采用气相和液相联用渗硅得到的SiC陶瓷力学性能

该研究制备的SiC陶瓷密度可达3.12g·cm^-3，硅含量降低至10vol%左右，抗弯强度和弹性模量分别达到465MPa和426GPa，力学性能与常压固相烧结SiC陶瓷相当，可提高SiC陶瓷环境使用温度。

SiC陶瓷增材制造挑战与机遇

目前增材制造SiC陶瓷材料的致密度与强度/韧性较传统制造仍有较大距离。如何发展新工艺，提高增材制造SiC陶瓷材料的致密性与强韧性，将是下一阶段重点需要解决的难题，这将直接决定增材制造SiC陶瓷材料能否真正工程化应用。

▲增材制造SiC陶瓷材料致密化与强韧化途径

② 缺陷定量化表征与精准控制

③ 复合材料化

④ 结构化、功能化与结构功能一体化

⑤ 4D打印与其他先进发展方向