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碳化硅陶瓷增材制造研究新進(jìn)展及其挑戰(zhàn)與機(jī)遇

信息來(lái)源:本站 | 發(fā)布日期: 2023-11-10 10:44:10 | 瀏覽量:387032

摘要:

碳化硅(SiC)陶瓷結(jié)構(gòu)件在各類新應(yīng)用場(chǎng)景的需求逐漸增多。例如,核工業(yè)領(lǐng)域的大尺寸復(fù)雜形狀SiC陶瓷核反應(yīng)堆芯;集成電路制造關(guān)鍵裝備光刻機(jī)的SiC陶瓷工件臺(tái)、導(dǎo)軌、反射鏡、陶瓷吸盤、手臂等;新能源鋰電池生產(chǎn)配套的中高端精密SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件;光伏行業(yè)生產(chǎn)用擴(kuò)散爐配套高…

碳化硅(SiC)陶瓷結(jié)構(gòu)件在各類新應(yīng)用場(chǎng)景的需求逐漸增多。例如,核工業(yè)領(lǐng)域的大尺寸復(fù)雜形狀SiC陶瓷核反應(yīng)堆芯;集成電路制造關(guān)鍵裝備光刻機(jī)的SiC陶瓷工件臺(tái)、導(dǎo)軌、反射鏡、陶瓷吸盤、手臂等;新能源鋰電池生產(chǎn)配套的中高端精密SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件;光伏行業(yè)生產(chǎn)用擴(kuò)散爐配套高端精密SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件和電子半導(dǎo)體高端芯片生產(chǎn)制程用精密高純SiC陶瓷結(jié)構(gòu)件。

然而,由于SiC是Si-C鍵很強(qiáng)的共價(jià)鍵化合物,硬度僅次于金剛石,硬度高、脆性大,在加工過(guò)程中易產(chǎn)生缺陷,像復(fù)雜幾何形狀的碳化硅陶瓷構(gòu)件往往難以用傳統(tǒng)的加工技術(shù)制造,這在很大程度上制約了復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷的應(yīng)用,而3D打印技術(shù)可有效解決這一難題。













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▲3D打印SiC陶瓷示意圖

3D打印SiC陶瓷制備技術(shù)已成為目前SiC陶瓷研究和應(yīng)用的發(fā)展方向之一。3D打印SiC陶瓷主要為反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷,多數(shù)密度低于2.95g·cm-3,硅含量通常大于30vol%甚至高達(dá)50vol%。由于硅熔點(diǎn)低于1410℃,導(dǎo)致硅使用溫度較低,限制了3D打印SiC陶瓷在半導(dǎo)體領(lǐng)域(如LPCVD)的應(yīng)用場(chǎng)景。



3D打印SiC陶瓷領(lǐng)域的新進(jìn)展

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中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員黃政仁團(tuán)隊(duì)研究員陳健在前期提出高溫熔融沉積結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)3D打印SiC陶瓷的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步將陶瓷打印體等效碳密度從0.80g·cm-3提高至接近理論等效碳密度0.91g·cm-3。等效碳密度的增加致使?jié)B硅難度呈指數(shù)級(jí)提升,直接液相滲硅易阻塞通道致使?jié)B硅失效。













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▲氣相滲硅形成的多孔SiC殼層

近期,該團(tuán)隊(duì)提出了氣相與液相滲硅聯(lián)用逐次滲硅方法,通過(guò)氣相熔滲反應(yīng)形成多孔SiC殼層,避免高碳密度的陶瓷打印體在液相滲硅初期發(fā)生快速劇烈反應(yīng),同時(shí)限制液態(tài)硅與固體碳的接觸面積。這樣不會(huì)發(fā)生熔滲通道的堵塞,使得后續(xù)的液相反應(yīng)可緩慢且持續(xù)進(jìn)行。













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采用氣相和液相聯(lián)用滲硅得到的SiC陶瓷力學(xué)性能

該研究制備的SiC陶瓷密度可達(dá)3.12g·cm-3,硅含量降低至10vol%左右,抗彎強(qiáng)度和彈性模量分別達(dá)到465MPa和426GPa,力學(xué)性能與常壓固相燒結(jié)SiC陶瓷相當(dāng),可提高SiC陶瓷環(huán)境使用溫度。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《歐洲陶瓷學(xué)會(huì)雜志》(Journal of the European Ceramic Society)上,并申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利2項(xiàng)(其中1項(xiàng)已授權(quán))。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和上海市自然科學(xué)基金等的支持。


SiC陶瓷增材制造挑戰(zhàn)與機(jī)遇

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① 致密化與強(qiáng)韌化

目前增材制造SiC陶瓷材料的致密度與強(qiáng)度/韌性較傳統(tǒng)制造仍有較大距離。如何發(fā)展新工藝,提高增材制造SiC陶瓷材料的致密性與強(qiáng)韌性,將是下一階段重點(diǎn)需要解決的難題,這將直接決定增材制造SiC陶瓷材料能否真正工程化應(yīng)用。













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增材制造SiC陶瓷材料致密化與強(qiáng)韌化途徑

② 缺陷定量化表征與精準(zhǔn)控制

增材制造的工藝特點(diǎn)決定了陶瓷產(chǎn)品中難以避免存在較多缺陷。然而缺陷類型、缺陷產(chǎn)生原因以及缺陷精準(zhǔn)抑制缺陷,目前尚未有系統(tǒng)關(guān)注。包括X-CT在內(nèi)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展為增材制造材料內(nèi)部制造缺陷的精準(zhǔn)化、定量化表征提供了新的方法。通過(guò)對(duì)增材制造陶瓷材料內(nèi)部制造缺陷類型、缺陷源頭與產(chǎn)生機(jī)理的精準(zhǔn)分析,建立增材制造SiC陶瓷材料內(nèi)部制造缺陷的精準(zhǔn)控制策略,將是下一階段需要重點(diǎn)關(guān)注的主要問(wèn)題。

③ 復(fù)合材料化

陶瓷材料的本征脆性仍是SiC陶瓷材料難以規(guī)避的“宿命”難題。以1D、2D、3D增強(qiáng)相實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷材料的復(fù)合材料化,將是今后SiC陶瓷材料增材制造的重要關(guān)注點(diǎn)。雖然目前已有一些采用晶須、短纖維等增強(qiáng)相在SiC陶瓷材料增材制造中的研究報(bào)道,但是連續(xù)纖維增強(qiáng)SiC陶瓷材料的增材制造仍是很大的難題。如何發(fā)展連續(xù)纖維增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料的高效增材制造技術(shù),將是下一階段本領(lǐng)域的重要突破口。

④ 結(jié)構(gòu)化、功能化與結(jié)構(gòu)功能一體化

通過(guò)輕量化構(gòu)型設(shè)計(jì)、超材料設(shè)計(jì)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路,結(jié)合增材制造技術(shù)成形復(fù)雜異型構(gòu)件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷材料的結(jié)構(gòu)化,將是今后陶瓷材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合的重要方向。此外,通過(guò)結(jié)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)增材制造SiC陶瓷材料結(jié)構(gòu)在電磁、聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等方面的優(yōu)異功能,也將是今后陶瓷材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合的另一增長(zhǎng)點(diǎn)。最后,如何基于增材制造,實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷材料結(jié)構(gòu)功能一體化,獲得諸如輕量化防熱隔熱一體化、輕量化電磁吸波一體化、輕量化抗沖擊一體化等結(jié)構(gòu)功能一體化結(jié)構(gòu),將是增材制造技術(shù)在陶瓷材料中的終極體現(xiàn)奧義之一。

⑤ 4D打印與其他先進(jìn)發(fā)展方向

如何基于增材制造技術(shù),發(fā)展增材制造SiC陶瓷材料的變形狀、變性能、變功能的4D打印設(shè)計(jì)方法,或者突破其他先進(jìn)發(fā)展方向(如零膨脹、負(fù)泊松等),也是作者認(rèn)為的SiC陶瓷材料增材制造領(lǐng)域未來(lái)新的閃光點(diǎn)。

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