https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.02.045

关键词：直写成型、碳化硅、前驱体聚合物、聚碳硅烷、惰性填料

1　前言

SiC基陶瓷以其弹性模量高、耐腐蚀性好、硬度高、密度低、热膨胀系数小等优点，成为当前研究最多的复合材料之一，并且也成功应用到实际当中，如燃气轮机、水处理膜、聚变反应堆材料和骨组织植入物等。

3D打印技术与传统的硬质陶瓷制造技术相比，在制造高精度的复杂零件方面展现出巨大的潜力。现在已有多种三维制备方法被开发出来，如选择性激光烧结（SLS），基于粘合剂的三维打印（3DP），立体光刻技术（SL）和直写成型技术（DIW）。其中的DIW，是由计算机程序设计构建出三维模型，之后将具有定制粘度的陶瓷浆料通过沉积喷嘴进行涂覆。与其他3D打印方法相比，DIW具有高灵活性、低成本、大规模生产以及跨多学科边界构建复杂结构的能力。

2　研究思路

在陶瓷前驱体中加入SiCw（碳化硅晶须）和SiCp（碳化硅颗粒）填料可以保持聚合物衍生陶瓷的形状和减少缺陷形成。将SiCw/SiCp填料以一定比例加入以聚碳硅烷为前驱体的陶瓷浆料中，利用直写成型技术制备出的3D-SiC具有优良的固化性能。本文研究了SiCp含量和烧结温度对其显微组织、热解过程、成分和力学性能的影响，利用PCS（聚碳硅烷）/正己烷/SiCw-SiCp溶液制备获得具有复合结构的SiC陶瓷。其中由于沿喷嘴径向剪切应力减小，打印出的线条显示出核壳结构的特点；提高SiCp/PCS的比值，使得其线性收缩率从18.2%降至8.3%、重量损失率从17.5%降至10.6%；此外，SiCp/PCS比为0.7的3D-SiC晶格,由于较低的孔隙率和细晶强化，抗拉强度达到21.3MPa。

3　图文导读

图一：利用PSC基凝胶制备3D-SiC的工艺示意图

图二：尺寸为30.5×7.0×1.5mm的印刷PCS基组件的照片(a)垂直视图，(b)横截面，(c)灯光下的垂直视图

图三： A组样品在氩气中烧制至1400℃的热分析图

图四：(a) 不同SiCp含量的样品热解前后的失重和线性收缩图; (b) 不同烧结温度下E组样品的失重和线性收缩图

图五： (a) 不同SiCp含量的试样经1200℃烧结后的XRD图谱; (b) 不同烧结温度下E样品的XRD图谱

图六： E组样品在氩气中热处理2h的SEM图像; (a) 800℃; (b) 1000℃; (c)1500℃和(d)1700℃; (e)多孔3D-SiC图像

4　总结

将SiCw/SiCp填料加入以聚碳硅烷为前驱体的陶瓷浆料中，经直写成型、烧结最终制备出了三维SiCxOy基陶瓷。通过研究SiC颗粒、烧结温度对SiCxOy基陶瓷显微结构、成分及相关性能的影响。结论如下：

1. 在PCS基浆料中加入不同含量的SiCp，通过直写成型，获得了具有良好性能的三维复合结构。此外，打印出来的陶瓷棒具有核壳结构的特点，这是由喷嘴径向剪应力降低造成的。在烧结过程中，PCS在702.9℃左右发生热解转化，生成非晶态SiCxOy；当升温至1350.6℃以上时，SiCxOy的碳化使其失重加快，最终被还原成SiC。

2. 当烧结温度为1200℃时，SiCp/PCS比值由0提高到1，会使PCS基晶格的失重率从18.2%降至8.3%，线收缩率从17.5%降至10.6%；当热解温度从1200℃提高到1400℃时，当热解温度从1200℃升高到1400℃时，失重率和收缩率相差不大，随着温度的升高，由于纳米SiC的结晶，失重率急剧增加。

本文由高温合金精密成型研究中心2019级硕士-王特特编辑整理