02
2026
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07
3D打印如何重塑SiC陶瓷基复合材料制造？一文读懂最新研究进展
作者：
文章系统解读SiC陶瓷基复合材料的主流增材制造工艺、典型复合体系及未来发展趋势，帮助读者快速了解该领域的最新研究进展。
一、摘要
随着航空航天、核能装备、汽车工业及高端电子制造等领域不断向轻量化、高性能和复杂结构方向发展，传统陶瓷制造技术正面临越来越大的挑战。作为兼具低密度、高比强度、耐高温、耐磨损以及优异化学稳定性的先进材料，碳化硅陶瓷基复合材料（SiC Ceramic Matrix Composites，简称SiC CMCs）近年来已成为全球先进制造领域的研究热点。
与此同时，增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术的快速发展，为复杂陶瓷零部件制造提供了新的解决方案。尤其是在SiC陶瓷基复合材料领域，3D打印不仅能够突破传统模具制造限制，还能够实现复杂内部结构、轻量化拓扑设计以及个性化定制制造，大幅提升设计自由度和制造效率。
近期，华中科技大学材料学院团队联合湖南大学、香港城市大学等单位，在《Composites Part B》发表综述论文《Advances in 3D Printing of SiC Ceramic Matrix Composites: A Comprehensive Review》，系统梳理了近年来SiC陶瓷基复合材料增材制造的发展现状，并围绕不同材料体系、不同打印工艺及后处理技术进行了全面总结，同时对未来的发展方向进行了深入展望。
碳化硅陶瓷基复合材料在不同领域的应用
二、研究背景
SiC陶瓷基复合材料之所以受到广泛关注，根本原因在于其兼具轻量化和极端环境服役能力。
相比传统金属材料，SiC材料密度更低，却拥有更高的比强度和比刚度；相比普通陶瓷，它通过纤维增强、颗粒增强或多材料复合等方式，有效提高了断裂韧性和抗热震性能，使其能够长期工作在高温、高压、高腐蚀及高磨损环境中。因此，在航空发动机燃烧室、涡轮叶片、航天热防护系统、核反应堆结构件以及新能源汽车制动系统等高端装备中，SiC陶瓷基复合材料展现出巨大的应用潜力。
然而，材料性能越优异，其制造难度也越高。由于SiC本身硬度高、脆性大、加工困难，传统工艺通常需要经过粉体成型、脱脂、烧结以及大量机械加工等多个环节，不仅生产周期长，而且加工复杂曲面和异形结构时成本极高。此外，传统模具制造方式难以满足现代装备对轻量化、多孔结构、拓扑优化结构及内部流道设计等复杂构件的需求，这些问题在一定程度上限制了SiC陶瓷基复合材料的进一步推广应用。
增材制造技术的出现，为这一难题提供了新的解决思路。与传统“去除材料”的加工方式不同，3D打印采用数字模型驱动，通过逐层堆积材料直接构建三维结构，不需要复杂模具即可实现复杂几何形状制造，大幅提升了零件设计自由度。
近年来，随着陶瓷浆料、粉末、连续纤维等专用打印材料不断发展，以及烧结、液态硅渗透（LSI）、聚合物浸渗裂解（PIP）、化学气相渗透（CVI）等后处理工艺不断成熟，SiC陶瓷基复合材料的增材制造逐渐由实验室研究迈向工程化应用。
SiC陶瓷基复合材料增材制造技术分类示意图
三、研究结果
针对高精度制造需求，论文还重点介绍了立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）以及直接墨水书写（DIW）等光固化和墨水打印技术。其中，DLP采用整层曝光方式，相比逐点扫描的SLA具有更高的打印效率和更好的尺寸一致性；DIW则能够打印功能梯度结构、多材料结构以及连续纤维增强构件，在近年来成为SiC陶瓷增材制造的重要研究方向。
不过，无论采用何种打印方式，仅依靠打印通常难以获得致密、高性能的SiC陶瓷基复合材料。因此，目前绝大多数工艺都会结合后处理技术进一步提升材料性能，例如聚合物浸渗裂解（PIP）、液态硅渗透（LSI）、反应熔渗（RMI）、化学气相渗透（CVI）以及冷热等静压等工艺，通过提高材料致密度、优化界面结合和降低孔隙率，使最终制备的复合材料具备更优异的力学性能和高温服役能力。
这些打印工艺与后处理技术并非彼此独立，而是根据不同复合材料体系进行灵活组合，形成了当前SiC陶瓷基复合材料增材制造的主流技术路线，也为后续不同增强体系的性能优化奠定了基础。
碳化硅陶瓷增材制造的技术原理示意图：(a) LPBF ，(b)BJ，(c)DED，(d) LOM ，(e) FDM ，(f)机器人铸造，(g)EM，(h)SLA，(i)DLP，(j)DIW。
通过对近年来大量研究工作的梳理发现，SiC陶瓷基复合材料的增材制造已经从单一材料打印逐步发展到多材料协同制造，不同增强体系与不同打印工艺相结合，正在不断突破传统陶瓷制造在结构复杂性、力学性能和功能集成方面的限制。
论文首先重点分析了目前研究最为成熟的碳纤维增强SiC陶瓷基复合材料（Cf/SiC）。由于碳纤维具有高比强度、高比模量以及优异的耐高温性能，与SiC基体结合后，可显著提升材料的断裂韧性和抗热震能力，因此长期以来一直是航空航天热端结构件的重要候选材料。
目前，针对Cf/SiC的增材制造已经形成了多条技术路线。例如，采用SLS、BJ、DLP、DIW以及材料挤出（ME）等工艺打印预制体，再结合液态硅渗透（LSI）、聚合物浸渗裂解（PIP）等后处理工艺，可有效提高材料致密度和力学性能。其中，DLP与DIW凭借较高的成形精度和结构可设计性，在复杂构件制造方面表现尤为突出，而BJ则因打印效率高、适合批量制造，在工业应用方面展现出较大潜力。
由L-DED制备的Cf/碳化硅复合材料：(a) 在成型腔内打印Cf/碳化硅；(b) Cf/碳化硅的成型工艺
除了短切碳纤维，连续碳纤维增强也是近年来的重要研究方向。相比随机分布的短纤维，连续纤维能够形成完整的载荷传递路径，在裂纹扩展过程中通过纤维桥联、界面脱粘和纤维拔出等机制持续吸收断裂能量，使复合材料具有更高的断裂韧性和损伤容限。不过，连续纤维打印对于材料流变性能、纤维铺放精度及界面结合质量提出了更高要求，目前仍属于增材制造领域的技术难点。
Cf/碳化硅复合材料制备流程示意图：(a)混合，(b)粘结剂喷射，(c) PRIP 循环，(d)LSI，(e)不同应用场景下的烧结Cf/碳化硅复合材料部件
相比碳纤维体系，SiC纤维增强SiC复合材料（SiCf/SiC）则更加适用于高温氧化环境。由于SiC纤维与SiC基体具有更好的热膨胀匹配和化学相容性，其在燃气轮机、航空发动机及核能装备等极端服役环境中具有明显优势。
论文指出，目前SiCf/SiC相关研究数量明显少于Cf/SiC，主要原因在于连续SiC纤维价格昂贵、打印难度较高，同时界面调控技术尚未完全成熟。不过，已有研究通过连续纤维增材制造结合PIP、LSI等后处理工艺，实现了高强度、高韧性SiCf/SiC复合材料的制备，为未来高端装备制造提供了新的解决方案。
除了纤维增强体系，SiC/金属复合材料也是近年来的重要研究热点。研究人员将SiC颗粒引入铝合金、不锈钢等金属基体中，充分发挥陶瓷高硬度、高耐磨性的优势，同时保留金属材料良好的塑性和加工性能，从而获得兼具轻量化、高强度和耐磨性的复合结构。
其中，SiC/Al复合材料已广泛应用于航空航天结构件和电子封装领域，而采用定向能量沉积（DED）等技术制备的SiC/316L不锈钢复合材料，则在耐磨零部件和复杂金属结构制造方面展现出良好的应用前景。
论文进一步总结了近年来快速发展的SiC/Si、SiC/Mullite、SiC/Diamond以及SiC多孔催化材料等新型复合体系。
例如，在SiC/Si体系中，通过优化反应熔渗工艺，可显著降低残余硅含量，提高材料力学性能，并成功制造出轻量化反射镜、蜂窝结构以及复杂拓扑构件。
(a) Cf/碳化硅复合材料制备的示意图；通过DLP技术制造的镜面图像：(b) Cf预制件的CAD模型，(c)脱粘后的Cf预制件，(d)最终的Cf/碳化硅复合材料
在电子封装领域，研究人员利用3D打印结合反应熔渗工艺成功制备了SiC/金刚石复合材料，其热导率可达245 W/(m·K)以上，为高功率芯片散热提供了新的材料选择。而在电磁吸波领域，通过构建SiC/Mullite多级孔结构，可获得优异的宽频吸波性能，为航空隐身、雷达吸波等应用提供了新的设计思路。
总体来看，当前SiC陶瓷基复合材料的研究重点已经由"能否打印"逐渐转向"如何实现更高性能、更高精度以及更大尺寸制造"。打印精度、界面结合质量、材料致密化及后处理工艺优化，成为决定最终性能的关键因素。
四、研究结论
增材制造正在推动SiC陶瓷基复合材料制造模式发生深刻变革。相比传统模具成形与机械加工，3D打印能够实现复杂结构直接制造，大幅提高设计自由度，并有效缩短产品开发周期，为高性能陶瓷零部件制造提供了新的技术路径。
目前，针对不同应用需求，已经形成了以SLS、BJ、DLP、DIW、FDM等为代表的多种增材制造工艺，并结合PIP、LSI、RMI、CVI等后处理技术，实现了从材料设计、结构制造到性能优化的完整工艺体系。不同工艺各具优势，也逐渐形成了适用于不同材料体系的最佳组合方案。
不过，论文也指出，当前SiC陶瓷基复合材料增材制造距离大规模产业化仍面临诸多挑战。例如，高固含浆料打印稳定性不足、连续纤维精准铺放困难、打印缺陷导致材料致密度下降、残余硅难以完全消除，以及大型复杂构件制造成本较高等问题，依然制约着工程应用的发展。
未来，随着高性能打印材料、新型光固化体系、智能工艺控制以及在线监测技术不断成熟，增材制造将进一步向高精度、高效率、多材料协同以及智能制造方向发展。同时，人工智能辅助工艺优化、数字孪生设计以及拓扑优化等新技术的融合，也将进一步释放SiC陶瓷基复合材料在航空航天、能源装备、电子封装及先进制造等领域的应用潜力。
可以预见，3D打印不仅是一种新的制造工艺，更将成为推动SiC陶瓷基复合材料实现结构创新、性能提升和产业升级的重要技术引擎。
奇遇科技打印的碳化硅样件展示
论文引用信息：Liu G, Zhu W, Wang C, Yang Q, Liu Z, Wang Z, Chai L, Chen A, Yan C, Shi Y. Advances in 3D Printing of SiC Ceramic Matrix Composites: A Comprehensive Review. Composites Part B: Engineering, 2026, 313: 113342.DOI：10.1016/j.compositesb.2025.113342
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