供稿人：劉巖 魯中良 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2023-03-16
碳化硅陶瓷由于其具有低密度，低熱膨脹系數(shù)，高導熱性，高剛度等特點被廣泛應用于航空航天、耐火防護等領域。而注漿成型、凝膠注模成型等傳統(tǒng)方式成型高精度的復雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件難度大、成本高，導致碳化硅陶瓷在各領域更進一步的應用推廣受到嚴重限制。
近期，來自中國科學院的趙彤團隊提出了將光固化技術(shù)（VPP，vat photopolymerization）與熔融滲硅技術(shù)(LSI，liquid silicon infiltration)相結(jié)合的方法成功制造了高強度、低收縮率的Si/SiC空間反射鏡。圖1所示為Si/SiC復合材料的制備流程圖，主要分為陶瓷漿料的3D打印，成型素體的預燒結(jié)以及熔融滲硅三個部分。
圖1 采用VPP與LSI技術(shù)制備Si/SiC復合材料的流程圖
圖2顯示了拋光后Si/SiC復合材料表面的微觀形貌以及Si與C元素的映射分布。從圖中可以看出，Si(淺灰色)存在于SiC(深灰色)之間形成一個連續(xù)的基體，SiC顆粒以分散相的形式均勻分布在Si基體中。Si元素覆蓋整個表面，大部分C元素分布在SiC顆粒上，而由于額外形成的3C-SiC，部分C元素分散在Si區(qū)域，導致碳映射中6H-SiC顆粒與Si相之間的邊界模糊。
圖3(a)顯示了Si/SiC復合材料斷裂后的微觀圖像。圖3(b)顯示了當裂紋處于陶瓷粉末細顆粒處時，裂紋將會沿著Si與SiC的晶間擴展，表現(xiàn)為晶間斷裂，而圖3（c）顯示了當裂紋處于陶瓷粉末粗顆粒時，裂紋將直接在粗顆粒內(nèi)部傳播，表現(xiàn)為穿晶斷裂。由于Si/SiC復合材料的晶間斷裂比穿晶斷裂需要更大的斷裂能，陶瓷細顆粒的引入提高了材料的抗彎強度，對提升Si/SiC復合材料的力學性能具有關(guān)鍵作用。
圖2 (a) Si/SiC復合材料的XRD圖譜;(b)拋光表面的SEM圖像; (c)-(d)Si和C的元素分布圖
圖3 (a) Si/SiC復合材料斷口形貌的SEM圖像;(b)晶間斷裂SEM圖像;(c)穿晶斷裂SEM圖像
圖4 Si/SiC復合材料制造的空間反射鏡
圖4顯示的是Si/SiC復合材料制造的空間反射鏡。通過VPP與LSI結(jié)合的方法制備的Si/SiC復合材料具有363.23±14.21 MPa的抗彎強度、0.097%的低孔隙率、3.52±0.26%的X向收縮率、3.73±0.39%的Y向收縮率和4.69±0.35%的Z向收縮率，其優(yōu)異的綜合性能說明了該方法在陶瓷部件的增材制造中的巨大潛力。