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《Chemical Engineering Journal》:具有微米级周期结构的3D打印SiC陶瓷吸光度可控降低及两步反应

《Chemical Engineering Journal》:具有微米级周期结构的3D打印SiC陶瓷吸光度可控降低及两步反应

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-01-03 11:22
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【概要描述】研究人员提出了一种新的可控氧化涂层方法,成功实现了SiC@SiO2坯体的光固化3D打印,同时提出了碳热还原与气相硅化相结合的两步反应方法,成功地去除了SiO2包覆层,并实现了80~300μm周期结构SiC陶瓷的反应烧结。

《Chemical Engineering Journal》:具有微米级周期结构的3D打印SiC陶瓷吸光度可控降低及两步反应

【概要描述】研究人员提出了一种新的可控氧化涂层方法,成功实现了SiC@SiO2坯体的光固化3D打印,同时提出了碳热还原与气相硅化相结合的两步反应方法,成功地去除了SiO2包覆层,并实现了80~300μm周期结构SiC陶瓷的反应烧结。

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2023年10月24日,西北工业大学、新加坡国立大学和陕西古琴材料科技有限公司的研究人员在《Chemical Engineering Journal》上发表题为Controllable reduction of absorbance and two-step reaction for 3D-printed SiC ceramics with micron-level periodic structure的研究论文,报道了研究人员提出了一种新的可控氧化涂层方法,成功实现了SiC@SiO2坯体的光固化3D打印,同时提出了碳热还原与气相硅化相结合的两步反应方法,成功地去除了SiO2包覆层,并实现了80~300μm周期结构SiC陶瓷的反应烧结。最终,通过化学气相渗透碳化硅,有效地提高了RB-SiC样品的综合性能,使其弹性模量和纳米硬度远高于表面的CVI-SiC。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723056462

 

 

 

 研究简介 

 

数字光处理技术(DLP)被广泛应用于制造高精度复杂结构陶瓷部件。然而,由于碳化硅(SiC)微米细粉末的高吸光度和与光敏树脂之间的高折射率差异,使用DLP打印高精度复杂结构的SiC是具有挑战性的。本研究采用了一种可控氧化涂覆的方法,在SiC粉末表面涂覆了不同厚度的SiO2纳米层,从而实现了SiC@SiO2的光固化打印,结构精度高达80μm。通过碳热还原与气相硅化(GSI)相结合的两步反应方法,成功去除了SiO2包覆层,并获得了80~300μm周期结构的反应键合碳化硅(RB-SiC)陶瓷。最后,采用化学气相渗透碳化硅(CVI-SiC)进一步提高了RB-SiC样品的性能。最终试样的横截面上的RB-SiC的纳米力学性能远高于表面上的CVI-SiC。该研究填补了液相硅化(LSI)或热解工艺无法获得具有微米级周期结构的高性能SiC陶瓷的空白。

 

 

 

图1 a)800℃、900℃和1000℃氧化得到的SiC原料粉和改性SiC粉的XRD谱图,b)EDS谱图。c)对应氧原子的原子质量百分比变化直方图。d)粘度与颗粒级配。e)质量比为9:1的10μm和1μmSiC@SiO2粉末粒度分布图;和相应的扫描电镜图片所示的插图在d)。典型的TEM图像和同源SAED红平方面积的模式在相应的TEM图像碳化硅功率在不同氧化处理f)5纳米的氧化层厚度由氧化在800℃10分钟g)10纳米的氧化层厚度由氧化在800℃30分钟h)12海里的氧化层厚度由50分钟我在800℃氧化)11nm厚的氧化层j)1000℃氧化10分钟生成的厚度为15nm的氧化层。k)f)至j)所示不同氧化条件下热处理的氧化层厚度的比较。

l)SiC原料粉与SiC@SiO2粉在不同氧化条件下的吸光度比较。(对于图例中有关颜色的解释,请参阅本文的网页版本。)

 

 

 

 

图2 a)GSI法制备的RB-SiC的XRD谱图和CVI-SiC五炉法制备的RBSiC试样的表面和截面。b)α-SiC多面体结构。c)ABCACB(六方晶系)描述的6H-SiC结构图。d)β-SiC的多面体结构。e)用重复ABC(立方晶体体系)描述的3C-SiC结构图;f)DLP 3D打印制备的具有周期性结构的SiC坯体照片。g,h)不同放大倍数下SiC坯体的代表性SEM图像。i)GSI制备的RB-SiC体。j,k)不同放大倍数下GSI制备的RB-SiC体的代表性SEM图像。l)碳化硅料浆紫外固化机理图。m)对于RB-SiC,CVI-SiC前后sic试样的密度和孔隙率变化折线图。n)本工作的密度和精度与文献报道的碳化硅光固化打印的比较[15,18,19,24-26]。(对于图例中有关颜色的解释,请参阅本文的网页版本。)

 

 

 

图3 a)DLP 3D打印SiC坯体的代表性SEM图像,b)和c)不同倍率下SiC热解体,d)不同倍率下GSI制备的RB-SiC体断裂面,g-i)不同倍率下csi-SiC五炉法制备RB-SiC的ultima SiC试样体断裂面,RB-SiC@CVI-SiCj-l)RB-SiC@CVI-SiC五炉法制备不同倍率RB-SiC后形成的界面,m-o)RB-SiC@CVI-SiC不同倍率的表面。p)光固化SiC@SiO2浆料、脱脂碳化、碳热还原、气相硅化、化学蒸气渗透示意图。(对于图例中有关颜色的解释,请参阅本文的网页版本。)

 

 

 

图4)相应的FFT图像左上角的c),b)放大HRTEM形象从左上角的红色平方面积c),c)介绍图片,介绍d)放大图像从右下角的红色方区域c),e)同源SAED模式从右下角的红色广场c),f)EDX RB-SiC@CVI-SiC标本,g)碳化硅的TEM图像标本,h-j)一致的EDX映射元素,如果,如果和c。k)左上角对应的SAED模式(m), l)左上角红色方框区域的HRTEM放大图像(m), m)HRTEM图像,n)右下角红色方框区域的HRTEM放大图像(m), o)RB-SiC@CVI-SiC试样Si区域的EDX光谱,p-r)元素、Si&C、Si、C的对应EDX映射;s)RB-SiC@CVI-SiC试样光学图。(对于图例中有关颜色的解释,请参阅本文的网页版本。)

 

 

 

图5 a)载荷与位移。b)而hAVG。采用CVI-SiC五炉法制备RB-SiC,用于最终SiC试样体表面。d)载荷与位移。e)》。而hAVG。采用CVI-SiC五炉法制备RB-SiC,得到了最终SiC试样体的横截面。c)表面的三维主形貌,f)RB-SiC@CVI-SiC ultima试样的横截面。5种增量载荷作用下终极RB-SiC@CVI-SiC试样表面和截面的平均纳米硬度和h平均弹性模量雷达对比图。(i)RB-SiC@CVI-SiC试样表面和截面光学图。

 

 

 研究结论 

 

本研究使用了可控氧化镀膜法、两步反应法和化学气相渗法对具有微米级周期结构的碳化硅陶瓷进行了光固化3D打印和致密化烧结研究。以下是得出的结论:

(1)成功实现了在微尺度SiC细粉表面可控地包覆SiO2纳米层,通过光固化3D打印制备了SiC@SiO2坯体,其结构精度高达80μm。

(2)通过碳热还原-气相硅化两步反应方法,成功去除了SiO2包覆层,并实现了80~300μm周期结构SiC陶瓷的烧结致密化。

(3)RB-SiC@CVISiC具有高弹性模量和硬度,分别为394.599GPa和50.241GPa,这是由于气相硅化和化学蒸汽渗透碳化硅的结合所致。

(4)RB-SiC@CVISiC在截面上的最大弹性模量和硬度分别为表面最大弹性模量和硬度的116%和105%,这是因为前者由RB-SiC结合初始α-SiC组成,而后者由CVI-SiC组成。

 

 

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