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2024
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行业新知 | 光固化DLP 3D打印SiC@Al₂O₃陶瓷浆料固化与性能优化研究
作者：
奇遇科技
行业新知
近日，华中科技大学机械科学与工程学院李晨辉团队在《Ceramics International》发表了题Enhanced molding and mechanical properties of SiC-based ceramic lattice structures via digital light processing的研究，通过液相粉末改性结合前驱体浸渍热解与反应熔渗（PIP-RMI）后处理致密化方法，制备了SiC@Al2O3/Si CLS，改善SiC陶瓷的性能，为优化SiC陶瓷制造工艺提供方法。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.08.081
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研究内容
碳化硅 (SiC) 陶瓷晶格结构 (CLS) 由于其轻质、高强度和优异的尺寸稳定性，在航空航天结构件和光学镜面领域具备广阔的应用前景。然而，SiC CLSs在数字光处理 (DLP) 增材制造过程中面临固化性能差、机械强度不足等技术难题。
本研究创新性地结合液相粉末改性、前驱体浸渍热解和反应熔融渗透 (PIP-RMI) 工艺，提升了SiC陶瓷在DLP工艺中的成型性能。采用液相沉淀法制备的SiC@Al2O3粉末用于配制含40 vol%陶瓷粉末的浆料，有效提高了浆料的固化效果和长时间存储稳定性。此技术改进为高性能SiC CLSs的制备提供了新思路，拓展了其在高要求工业领域中的应用潜力。
△图1，用于 SiC@Al₂O₃/Si 陶瓷晶格结构的 DLP 增材制造工艺和 PIP-RMI 致密化流程。
△图2，(a)–(d) SiC@Al₂O₃ 粉末的 SEM 形貌和 (e) 粒径统计。
△图3，(a) 各种 SiC@Al₂O₃ 粉末的 XRD 光谱和 (b) Al₂O₃ 峰位的放大图。
△图4，(a) 3%、(b) 6% 和 (c) 9% SiC@Al₂O₃ 的 HRTEM 图像，以及 (d) SAED 衍射环。
△图5，(a) SiC@Al₂O₃ 粉末的 XPS 光谱，(b) 粉末的 Al 2p 光谱。
(a) 理论 Al₂O₃ 质量比与 XRF 分析结果；(b) 6% SiC@Al₂O₃ 的 SEM 图像；(c)–(f) EDX 映射。
△图7，(a)–(d) 陶瓷粉末外观的图片和 (e) 紫外光吸收率。
△图8，(a) 各种 SiC@Al₂O₃ 浆料的稳定性测试，(b) 流变性能和 (c) 红外（IR）测试。
△图9，(a) 改进的 SiC@Al₂O₃ 浆料沉降性能机制示意图和 (b) 改进的 SiC@Al₂O₃ 浆料固化性能机制示意图。
△图10，(a) 单层固化厚度与 (b) 各种 SiC@Al₂O₃ 浆料的过度固化宽度与固化光强度的关系；(c) 固化层的边缘形貌。
△图11，DLP 成型的 (a) 测试样品和 (b) 原始 TPMS 陶瓷晶格结构（CLS）绿体图片；(c) 增材制造的层间图案。
△图12，(a) PIP-RMI 处理后样品与绿体样品外观的比较；(b) PIP-RMI 处理后样品的 XRD 分析；(c) 压缩性能测试。
△图13，(a) SiC@Al₂O₃/Si 零件的层间图案，(b) 表面形貌，(c) 横截面形貌，(d) 横截面的 EDS 线扫描。
结论
在本研究中，采用液相涂层改性方法制备了 SiC@Al₂O₃ 粉末，以解决光固化成型过程中固化性能差和浆料长期稳定性不足的问题。通过结合 PIP-RMI 后处理致密化方法，成功制备了具有优异机械性能和表面质量的 SiC@Al₂O₃/Si TPMS 陶瓷晶格结构（CLS）。
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利用 Al₂O₃ 的低吸光性和低紫外折射率显著改善了陶瓷浆料的固化性能，增加了固化厚度并减少了过度固化宽度。实验数据显示，SiC@Al₂O₃浆料的单层固化厚度可达到 80 μm。
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尽管粘度有所增加，但由于其剪切变稀特性，浆料在 DLP 过程中表现良好，成功制备出具有优异表面质量的原始 TPMS 结构陶瓷胚体，且弯曲试样的机械性能达到 75 MPa。
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通过 PIP-RMI 工艺，陶瓷胚体经过脱脂和致密化处理，得到的SiC@Al₂O₃/Si CLSs 展示了优异的尺寸稳定性、良好的层间融合性和强大的压缩性能，具体压缩强度为 24.79 MPa。
本研究提出了一种可行的 SiC 基陶瓷晶格结构制备方法，不仅解决了 SiC 粉末的内在特性问题，还增强了最终部件的机械性能。
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