碳化硅陶瓷增材制造研究新進展及其挑戰與機遇

碳化硅(SiC)陶瓷結構件在各類新應用場景的需求逐漸增多。例如，核工業領域的大尺寸復雜形狀SiC陶瓷核反應堆芯；集成電路制造關鍵裝備光刻機的SiC陶瓷工件臺、導軌、反射鏡、陶瓷吸盤、手臂等；新能源鋰電池生產配套的中高端精密SiC陶瓷結構件；光伏行業生產用擴散爐配套高端精密SiC陶瓷結構件和電子半導體高端芯片生產制程用精密高純SiC陶瓷結構件。

然而，由于SiC是Si-C鍵很強的共價鍵化合物，硬度僅次于金剛石，硬度高、脆性大，在加工過程中易產生缺陷，像復雜幾何形狀的碳化硅陶瓷構件往往難以用傳統的加工技術制造，這在很大程度上制約了復雜結構碳化硅陶瓷的應用，而3D打印技術可有效解決這一難題。

▲3D打印SiC陶瓷示意圖

3D打印SiC陶瓷制備技術已成為目前SiC陶瓷研究和應用的發展方向之一。3D打印SiC陶瓷主要為反應燒結SiC陶瓷，多數密度低于2.95g·cm^-3，硅含量通常大于30vol%甚至高達50vol%。由于硅熔點低于1410℃，導致硅使用溫度較低，限制了3D打印SiC陶瓷在半導體領域（如LPCVD）的應用場景。

3D打印SiC陶瓷領域的新進展

中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員黃政仁團隊研究員陳健在前期提出高溫熔融沉積結合反應燒結3D打印SiC陶瓷的基礎上，進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滲硅難度呈指數級提升，直接液相滲硅易阻塞通道致使滲硅失效。

▲氣相滲硅形成的多孔SiC殼層

近期，該團隊提出了氣相與液相滲硅聯用逐次滲硅方法，通過氣相熔滲反應形成多孔SiC殼層，避免高碳密度的陶瓷打印體在液相滲硅初期發生快速劇烈反應，同時限制液態硅與固體碳的接觸面積。這樣不會發生熔滲通道的堵塞，使得后續的液相反應可緩慢且持續進行。

▲采用氣相和液相聯用滲硅得到的SiC陶瓷力學性能

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

SiC陶瓷增材制造挑戰與機遇

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

▲增材制造SiC陶瓷材料致密化與強韌化途徑

② 缺陷定量化表征與精準控制

③ 復合材料化

④ 結構化、功能化與結構功能一體化

⑤ 4D打印與其他先進發展方向