碳化硅陶瓷增材制造研究新進(jìn)展及其挑戰(zhàn)與機(jī)遇

碳化硅(SiC)陶瓷結(jié)構(gòu)件在各類(lèi)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(pán)、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。

▲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

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。

▲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。

▲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。

SiC陶瓷增材制造挑戰(zhàn)與機(jī)遇

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。

▲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

③ 復(fù)合材料化

④ 結(jié)構(gòu)化、功能化與結(jié)構(gòu)功能一體化

⑤ 4D打印與其他先進(jìn)發(fā)展方向