【原创】有了这4套“组合拳”技术,你还怕做不出复杂结构的碳化硅陶瓷吗?


来源:中国粉体网   山川

[导读]  随着科学技术的快速发展,碳化硅陶瓷的应用领域进一步拓宽,但特殊的使用工况也对SiC陶瓷制品的形状复杂性提出了更高的要求。

中国粉体网讯  随着科学技术的快速发展,碳化硅陶瓷的应用领域进一步拓宽,但特殊的使用工况也对SiC陶瓷制品的形状复杂性提出了更高的要求。例如:在航空航天领域,为了提高光学系统的分辨率,碳化硅陶瓷反射镜必须满足口径大、质量小的要求,因此反射镜的减重设计越来越复杂;在集成电路领域,碳化硅陶瓷作为集成电路装备关键组成部分,其结构复杂,精度要求极高;在化工医药领域,碳化硅陶瓷可以用于制作能进行化学反应的三维结构微反应器元件,结构极其复杂。



(非球面反射镜,来源:华美精陶)


由此可见,复杂结构碳化硅陶瓷在现代科技的发展中发挥着越来越重要的作用。SiC陶瓷常用的烧结工艺有无压烧结、反应烧结、热压烧结和热等静压烧结等,而制备高致密度、高性能要求的SiC陶瓷制品通常需采用热压和热等静压等成型工艺。为满足碳化硅陶瓷的复杂结构设计要求,优化碳化硅陶瓷的制备工艺、实现近净成型制备是关键,为此,将合适的成型技术与烧结技术科学的组合起来非常重要。


冷等静压成型结合无压烧结制备技术


冷等静压技术是在常温下,通过用橡胶或塑料作包套模具材料,以液体为压力介质,主要用以粉体材料成型,为进一步烧结或热等静压工序提供坯体。然后对成型坯体进行机加工得到陶瓷产品素坯,再进行无压烧结得到复杂结构碳化硅陶瓷的一种技术。



(冷等静压设备)


采用冷等静压成型结合无压烧结工艺可获得密度均匀、热导率高、力学性能优异的复杂结构碳化硅陶瓷,该工艺适用于比刚度、耐磨损、耐化学腐蚀、高温强度等性能要求高的碳化硅产品的制备。


美尔森布斯泰克公司采用冷等静压成型结合无压烧结工艺制备了太空反射镜、激光振镜、反应器等多种复杂结构碳化硅陶瓷制品,其中通过碳化硅钎焊组件(由12个烧结碳化硅单元组成)制造的赫谢尔太空望远镜用反射镜的直径为3.5m,是目前太空运行反射镜中尺寸最大的。



(碳化硅微反应器机组,来源:山东金德新材料)


凝胶注模成型结合反应烧结制备技术


凝胶注模成型技术是由OMATETE等发明的一种近净尺寸成型技术,可实现大尺寸、复杂结构陶瓷制品的近净尺寸成型,其成型时间短,模具制备简单,尺寸精度高,制作成本低。该工艺的基本原理是在低黏度高固含量的陶瓷浆料中加入有机单体、交联剂、引发剂和分散剂等,在引发剂的作用下有机单体和交联剂聚合形成空间三维网状结构,使浆料中悬浮的陶瓷颗粒原位固化成型,并按照模具设计形状固化成相应的坯体。该坯体经脱模、干燥、排胶、烧结得到陶瓷制品毛坯。


凝胶注模成型结合反应烧结工艺可以实现复杂结构碳化硅陶瓷的制备。通常,烧结前后碳化硅坯体的收缩率在1.2%左右,烧结尺寸容易控制,可获得近净尺寸陶瓷毛坯,减少碳化硅陶瓷后续加工量。


凝胶注模成型结合反应烧结工艺存在一定的不足:凝胶过程中可能会产生气泡,影响坯体性能;空气中的氧对单体的凝胶反应具有阻聚作用,陶瓷坯体表面易产生裂纹和剥落现象;在凝胶过程中由于浆料的不同步固化导致陶瓷坯体产生内应力,在干燥或排胶阶段坯体易出现开裂;反应烧结中也容易出现烧结产品密度不均匀、烧结产品易开裂以及渗硅不充分等问题,从而影响制品的性能。


注浆成型结合反应烧结制备技术


注浆成型技术多用于传统陶瓷的制备,目前也在碳化硅窑具、喷嘴、热交换器等复杂结构产品的制备过程中得到越来越多的应用。注浆成型结合反应烧结工艺流程:将碳化硅粉、烧结助剂、去离子水、分散剂、黏结剂等混合制成碳化硅浆料,注入多孔模具,通过毛细管力将浆料中的水分逐渐吸出,沿模具内壁向内固化成坯体;当坯体厚度达到设定值后,倒出剩余浆料,一定时间后脱模得到碳化硅坯体,再经过干燥、修坯、烧结等工艺制得碳化硅陶瓷成品。


注浆成型工艺操作简单、灵活性强、成本低,适于制造复杂结构的陶瓷产品。


3D打印成型结合反应烧结制备技术


3D打印技术又称增材制造技术,该技术基于离散-堆积原理,利用计算机程序将产品的三维模型分层处理,通过加热或黏结的方式将原料逐层堆积形成立体形状的坯体。




3D打印结合反应烧结制备工艺在复杂结构碳化硅陶瓷产品近净尺寸成型方面具有巨大优势,可提高产品生产效率并降低生产成本,为制造复杂结构陶瓷提供了新的工艺方案。目前,3D打印成型的陶瓷坯体普遍存在表面质量差、尺寸精度低、烧结致密性偏低等问题,影响了3D打印技术在规模化工业生产的应用,未来需要继续提高3D打印用陶瓷材料的制备水平和打印过程的控制精度,以便实现低成本、高效率的复杂结构陶瓷产品近净尺寸成型技术的工业化应用。


结束语


碳化硅陶瓷的硬度高,脆性大,加工效率低,随着复杂结构碳化硅陶瓷需求量的增加,提高碳化硅陶瓷的加工效率、降低制备成本成为急需解决的问题。从碳化硅陶瓷素坯成型工艺入手,并结合适宜的烧结工艺,使烧成的碳化硅陶瓷毛坯达到近净成型,以减少后续加工量,并保证产品性能满足使用要求,这也成为复杂结构碳化硅陶瓷制备工艺的未来研究方向。


参考来源:

[1]王晓波等.复杂结构碳化硅陶瓷制备工艺的研究进展

[2]刘秀等.高致密度、复杂形状SiC陶瓷的组合热压烧结技术


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作者:山川

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