中国粉体网讯 碳化硅陶瓷具有优异的耐磨性、耐腐蚀、耐高温、抗氧化以及低热膨胀系数等性能，是航空航天、电子信息等领域中的关键材料，特别是大型复杂碳化硅陶瓷构件，如高分辨率空间遥感卫星反射镜镜坯、大规模集成电路光刻机用激光反射镜、高防护系数飞行器陶瓷装甲、高超声速飞行器热端部件及热防护系统等的整体成形技术，对航空航天等国家安全和前沿技术发展有着重要的战略意义。然而，由于碳化硅陶瓷材料具有高温烧结变形大、缺陷敏感性强等特点，烧结后难以加工，因此大型复杂碳化硅陶瓷构件的整体成形成为世界性难题。
为此，华中科技大学材料学院史玉升教授团队提出复杂碳化硅陶瓷构件的激光粉末床熔融、粘结剂喷射/光固化复合3D打印成套技术，在湖北武汉建立研究和产业化基地，在湖北黄石设立中试基地，从碳化硅陶瓷粉末床3D打印的材料、装备、工艺、产业化和应用等环节进行了深入系统地研究，主要技术指标国际领先，解决了高性能大型复杂碳化硅陶瓷复合材料构件的整体成形难题。
在材料方面：发明了高增材适应性粉体制备方法（图1），实现了粘结剂均匀包覆粒料、纤维粉体的制备；提出了高效机械混合碳化硅颗粒、碳纤维、粘结剂复合粉体的制备方法，有效改善粉末床成形预制体的力学性能；建立复合材料堆积体对激光能量吸收的物理模型，为激光粉末床熔融3D打印复合材料粉末设计及成形预制体质量调控提供理论支持。
图1 粘结剂包覆粉体制备方法
在装备方面：研制出大台面复杂陶瓷构件粉末床3D打印方法与装备。该装备具有多激光、多振镜的扫描系统，配备海量数据处理软件，解决了多激光振镜协同工作、海量数据处理、形坯原位成形、清粉、后固化处理等难题，实现大型复杂陶瓷构件一体化成形。在激光粉末床熔融3D打印装备的基础上，研制出一种高强度大型复杂陶瓷素坯及其粘结剂喷射/光固化复合成形方法与装备（图2），解决3D打印陶瓷素坯强度低、效率低、成形尺寸小等问题，实现高强度大型复杂陶瓷素坯的高效3D打印成形。
图2 大型复杂陶瓷粘结剂喷射/光固化复合成形装备原理图
在成形工艺方面：发明碳纤维/碳化硅复合材料构件的激光粉末床熔融整体3D打印方法（图3）
图3 碳纤维/碳化硅复合材料构件的激光粉末床熔融整体3D打印方法
整体成形出碳化硅陶瓷复合材料构件（图4），相对密度＞99%，抗弯强度＞250 MPa。
图4 粉末床熔融整体成形碳化硅复合材料构件
（a）航天反射镜镜坯；（b）光刻机方镜
在产业化方面：史玉升教授团队技术孵化的武汉华科三维科技有限公司，是华中地区资历雄厚的专业3D打印装备、工艺及材料的产业化平台，注册资本6000万元人民币，除了从事高分子和金属3D打印装备与工艺外，还开展陶瓷3D打印装备及工艺的研发，形成了工作台250mm×250mm、1000mm×1000mm（图5）、1700mm×1700mm等系列碳化硅陶瓷3D打印成套装备，并实现商品化。成套装备及其工艺成功应用于中国航发北京航空材料研究院、哈尔滨东安动力、宁波伏尔肯、成都光电技术研究所、清华大学、西北工业大学等科研院所和公司等，用于复杂陶瓷构件的整体成形。
图5 武汉华科三维科技有限公司生产的激光粉末床熔融装备-HK C1000
（a）1 m装备整体图；（b）激光振镜扫描系统；（c）双向铺粉系统
在飞行器热端构件应用方面：采用3D打印制备了耐高温烧蚀和抗热冲击的SiC复合材料，通过在材料内引入一维陶瓷纤维，结合特殊孔道设计，实现结构减重的同时保持良好的耐烧蚀性能（1650℃×1h空气气氛条件下质量损失率≤0.05g/m2∙s）和抗热冲击性性能：其室温à1300℃升温和1300℃à10℃骤冷循环次数相较常规3D打印SiC材料提升超过300%，基于该工艺制备的小型3D打印SiC复合材料构件已通过初步考核试验（图6）。
图6 3D打印SiC构件抗热冲击性能测试和构件结构示意图
在碳化硅吸波器件应用方面：采用激光粉末床熔融结合碳热还原制备了一种新型的木材生物质废料衍生的多孔碳化硅纳米线/碳化硅复合材料吸波器（图7），用于结构-功能一体化电磁波吸收。建立了碳热还原温度对3D打印生物质碳材料反应生成多孔碳化硅的影响机制，阐明多孔碳化硅复合材料异质界面、孔结构与电磁波吸收之间的内在联系。最终得到的多孔碳化硅复合材料构件的最小反射损耗为-49.01 dB，有效吸收带宽为5.1 GHz，在空气中的热失重率仅为0.6%，在恶劣环境下具有广泛的应用前景。
图7 激光粉末床熔融制造的多孔碳化硅复合材料吸波器
（a）吸波机理和（b）吸波效能；（c~e）生物质复杂构件坯体；（f）多孔碳化硅复合材料蜂窝结构吸波器
在碳化硅模具应用方面：由于碳化硅具有高强度、高硬度、高导热等特性，是最佳的模具材料，但存在难加工等问题。为此，通过材料和工艺联合研究，充分利用碳化硅材料的优势，哈尔滨某光电科技有限公司用武汉华科三维生产的3D打印打印装备成形出满足玻璃镜片要求的碳化硅模具。
因此研究，2019年教育部批准成立“增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心”，相关研究成果获第二十三届中国专利优秀奖、第一届湖北专利金奖、2021年日内瓦国际发明展金奖等。
来源：华中科技大学
（中国粉体网编辑整理/空青）
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