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2024
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行业新知 | 直写DIW 3D打印Cf/SiC复合陶瓷材料的微观结构与力学性能研究
作者：
奇遇科技
行业新知
近日，南京航空航天大学Wenbao Jia团队在《Ceramics International》发表了题Microstructure and mechanical properties of continuous carbon fiber-reinforced SiC ceramic composite fabricated by direct ink writing的研究，通过直接墨水书写（DIW）制造连续碳纤维增强碳化硅（Cf/Sic）陶瓷复合材料，优化了打印参数以提升材料性能。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.04.304
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研究内容
碳化硅（SiC）陶瓷基复合材料具有抗氧化、高强度和高温稳定性，但脆性和低韧性限制其应用。碳纤维可增强 SiC 陶瓷，连续纤维增强陶瓷复合材料性能更优。化学气相渗透（CVI）是制造连续碳纤维增强 SiC 复合材料的常用方法，但工艺复杂、成本高，且实现复杂几何形状是挑战。直接墨水书写（DIW）技术可制造复杂形状的连续纤维增强陶瓷复合材料，能降低成本、提高灵活性，但存在陶瓷浆料流动性差、纤维间隙填充难等问题，影响材料机械强度和抗氧化性。
本研究利用DIW技术制备Cf/SiC复合材料，通过调节粘结剂含量提高浆料的打印能力，并优化纤维喷嘴与浆料喷嘴之间的夹角、浆料喷嘴尺寸等打印参数，以提高体部结构的精确性和浆料对纤维空隙的填充效果。
△图1，DIW打印机系统及核壳结构打印灯丝示意图（左）及DIW打印机打印过程中的光学图像（右）。
△图2，SA含量对碳化硅泥浆(a)粘度和(b)形态的影响。
△图3，模拟结果描述了不同插入角度下在打印机腔内的粘度分布。底部排：纤维喷嘴底部的粘度分布。
△图4，模拟结果：整个打印机腔内不同SA含量的碳化硅浆的粘度分布（左），纤维喷嘴底部不同SA含量的浆的粘度分布（右）。
△图5，连续纤维、浆料挤压工艺示意图。
△图6，不同浆液喷嘴直径(a) 2.20 mm、(b) 2.00 mm、(c)2.00mm、(c) 1.82 mm、(d) 1.55 mm。下排：浆喷嘴底部泥浆粘度分布。
△图7，不同SA含量灰浆制备的碳化硅胚体微观结构为(a) 0.1 wt%，(b) 0.2 wt%，(c) 0.3 wt%，(d) 0.4 wt%。
△图8，使用不同直径喷嘴制作的碳化硅胚体的微观结构：(a) 2.20 mm，(b) 2.00 mm，(c) 1.82 mm (d) 1.55 mm；(e)碳化硅胚体的形态和(f)不同直径喷嘴的打印偏差值。
△图9，采用不同直径喷嘴制备的烧结Cf/SiC复合材料的微观结构，分别为(a) 2.20 mm、(b) 2.00 mm、(c) 1.82 mm、(d) 1.55 mm。
△图10，烧结Cf/SiC试样(a)的相对密度和弯曲强度，以及不同泥浆喷嘴直径(b)制备的Cf/SiC复合材料的弯曲应力-应变曲线。
△图11，用不同直径喷嘴制备的氧化Cf/SiC复合材料的微观结构：(a) 2.20 mm，(b) 2.00 mm，(c) 1.82 mm (d) 1.55 mm；(e)不同直径喷嘴中氧化层的孔径和(f)Cf/SiC复合材料在氧化过程中的TG曲线。
结论
该研究利用直接墨水写入（DIW）技术和高固体含量的碳化硅（SiC）浆料，制备了具有核壳结构的连续碳纤维增强SiC陶瓷复合材料。所用SiC浆料的固体含量为81.5 wt%，SA粘结剂含量为0.4 wt%，展现出优异的流变行为。通过有限元模拟分析了浆料与纤维束之间的流变行为和流体-结构相互作用。根据模拟结果，确定了最优的纤维喷嘴插入角度为60°。此外，减小喷嘴直径能够增加浆料在挤出过程中的挤压效应，有助于提高浆料对纤维束的覆盖性，减少Cf/SiC复合材料中的孔隙。当喷嘴直径从2.20 mm减少到1.55 mm时，复合材料的相对密度从60.83±2.37%提高到77.36±3.08%，其弯曲强度从28.60±3.33 MPa增加到113.17±20.79 MPa。
因此，本研究为优化打印参数以提升陶瓷基复合材料性能提供了一种有效方法。
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