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2025
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06
行业新知丨DLP陶瓷3D打印表面活化SiC-聚合物复合材料空心三维结构
作者：
增材制造彻底改变了碳化硅聚合物复合陶瓷材料的制造工艺，增强了材料性能，例如更轻的重量、更坚韧的韧性和更优异的热性能。尽管如此，在有效加工高固体含量的 SiC 材料以实现所需的机械和热性能方面仍然存在巨大的知识缺口。近日，美国北卡罗来纳大学Erina Baynojir Joyee教授带领团队在《Composites Part B: Engineering》发表了题为《DLP-based additive manufacturing of hollow 3D structures with surface activated silicone carbide-polymer composite》的研究，他们成功开发了用于基于直接光投影 (DLP) 的增材制造 (AM) 的高固含量碳化硅聚合物复合树脂，并且研究了SiC颗粒对3D打印样品抗压强度和热导率的影响。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112236
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研究内容
本研究成功开发了用于基于直接光投影 (DLP) 的增材制造 (AM) 的高固含量碳化硅聚合物复合树脂。树脂制备过程中采用正交优化组分，以达到合适的粘度、稳定性和均匀性。此外，还进行了光固化参数（固化时间和临界曝光时间）的实验测定。此外，他们还采用增材制造技术制备了不同粒径和填充浓度的SiC-聚合物复合材料，研究了SiC颗粒对3D打印样品抗压强度和热导率的影响。
以下是文章的研究方法及数据：
图1，紫外光固化碳化硅聚合物悬浮液制备步骤图解。
△图2，实验所提出的DLP的实验装置。
△图3，( a)固化时间与颗粒体积比（%）的关系；(b)傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征聚合反应；(c)改性SiC颗粒表面的能量色散光谱（EDS）分析显示元素组成，包括大量的硅（32.293%）和氧（55.270%），证实了硅胶层的形成；(d)分析区域的扫描电子显微镜（SEM）图像，突出显示了改性SiC颗粒的表面形貌。
△图4，（a）不同浓度SiC和（b）不同粒径悬浮液的粘度曲线与剪切速率的关系；（c）两种不同粒径（40μm和2μm）悬浮液的剪切应力与剪切速率的关系。
△图 5.( a)不同体积比的沉降高度；(b,c)表面改性对沉降高度的影响。
△图6，多孔立方体结构：（a）打印样品的等距视图；（b）顶视图；（c）沿径向的表面形貌SEM图像，显示了均匀的颗粒分布。
△图7， ( a) SiC-聚合物复合材料立方体多孔结构的3D模型；(b) 打印复合材料样品：平面图（上）和显微图像Z 平面（底部）；（c）压缩试验示意图和（d）纯聚合物和均匀复合材料样品（10％和40％）的结果。
△图8， ( a, b) 复合材料在 (a) 加热和 (b) 冷却过程中的红外摄像机图像，用于瞬态温度响应；以及 (c, d) 在 (c) 加热和 (d) 冷却过程中，随着 SiC 浓度变化的印刷复合材料的温度随时间变化曲线。
△图 9 .不同3D打印样品表面的接触角测量。
结论
本研究成功开发了用于基于直接光投影 (DLP) 的增材制造 (AM) 的高固含量碳化硅聚合物复合树脂。树脂的加工性由流变性和固化参数决定，过程中采用正交优化组分，以达到合适的粘度、稳定性和均匀性。研究发现，粘度随粒径减小而增加，而固含量增加则导致粘度呈指数增长。此外，SiC固化时间随固体含量的增加而增加，当固体含量为 10% 至 50% 时，固化时间范围为 7 至 18 秒，固化时间越长，聚合越完全。
此外，在研究了SiC颗粒对3D打印样品抗压强度和热导率的影响后发现，抗压强度、热导率与固体填充量呈正比关系，与纯聚合物基质相比，性能显著提升。本研究为基于聚合的多孔结构3D打印提供了材料基础，展现了其在各行各业的先进应用潜力。
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