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2025
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行业新知丨DLP陶瓷3D打印表面活化碳化硅聚合物复合材料
作者：
增材制造（AM）已彻底改变了陶瓷（如碳化硅SiC）-聚合物复合材料的制造过程，显著提升了材料的性能，如更轻的重量、增强的韧性和热特性，但在有效加工高固体负载SiC以实现理想的机械和热性能方面，仍存在显著的技术挑战。近日，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，他们通过深入探讨材料特性，并聚焦于解决两个关键问题：确保足够的流变性以及在基于光聚合的增材制造过程中避免过大的分离力导致打印失败，从而填补这一知识空白。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112236
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研究内容
在这项研究中，教授团队成功开发了一种适用于基于直接光投影（DLP）增材制造的高固体含量SiC-聚合物复合树脂。树脂的加工性能由其流变特性和固化参数决定，制备过程中通过正交优化成分，以实现理想的粘度、稳定性和均匀性。同时，实验测定了光固化参数（如固化时间和临界曝光量）。此外，他们还成功制造了具有中空结构和精细分辨率的3D部件，进一步开发了DLP原型，采用不同粒径和负载浓度的SiC-聚合物复合材料进行了尝试。
以下是文章的研究方法及数据：
△图1， UV 固化 SiC 聚合物悬浮液的制备步骤图示。
△图2，（a） 固化时间与颗粒体积比 （%） 之间的关系;（b） 聚合的傅里叶变换红外光谱 （FTIR） 表征;（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，突出了改性 SiC 颗粒的表面形貌。
△图3，粘度曲线与悬浮液剪切速率的函数关系，（a） SiC 浓度不同，（b） 粒径不同;（c） 剪切应力作为两种不同粒径 （40 μm 和 2 μm） 悬浮液剪切速率的函数。
△图4，（a） 不同体积比的沉降高度;（二、三）表面改性对沉降高度的影响。
△图 5. 多孔立方结构：（a） 打印样品的等距视图;（b） 俯视图;（c） 沿径向表面形貌的 SEM 图像，显示了均匀的颗粒分布。
△图6，（a） SiC-聚合物复合材料的立方多孔结构的三维模型;（b） 打印的复合样品：显微镜图像平面视图（上）和Z 平面（底部）;（c） 压缩试验图示和 （d） 纯聚合物和均匀复合材料样品（10% 和 40%）的结果。
△图7，（一、二）复合材料在 （a） 加热和 （b） 冷却过程中的瞬态温度响应的红外相机图像;和 （c， d） 温度与 （c） 加热和 （d） 冷却过程中具有不同 SiC 浓度的打印复合材料的时间曲线的函数。
△图7，不同 3D 打印样品表面的接触角测量。
结论
本研究进一步研究了 SiC 体积比的变化，以确定 SiC 聚合物材料的固化性能。固化性能、流变特性和沉降行为被确定为开发有效打印方案的关键因素。为获得最佳效果，固化深度应控制在每层 75 至 100 μm 之间，以确保适当固化而不会过度固化。流变特性应以 3-20 Pa s 的粘度范围为目标，并与铺展相关的剪切速率，以实现平稳流动和均匀的层沉积。沉降稳定性同样重要，通过适当的颗粒浓度和粘度调整，颗粒分布保持至少 4-6 小时而没有明显的沉降。平衡这些参数可确保生产高质量、稳定和准确的打印件，同时克服材料准备和打印精度方面的挑战。
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