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山东大学韩桂芳团队:光固化3D打印高强度SiC多孔陶瓷

已有 5219 次阅读 2024-10-2 20:13 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Sun J, Zhang J, Zhang X, et al. High strength mullite-bond SiC porous ceramics fabricated by digital light processing. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(1): 53-62.

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220835

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/377810369_High_strength_mullite-bond_SiC_porous_ceramics_fabricated_by_digital_light_processing

1、导读

碳化硅（SiC）陶瓷由于其优异的性能被广泛应用于热绝缘、过滤器、催化剂载体、生物和航空航天等多个领域。SiC陶瓷的优异性能得益于其很强的Si-C共价键，同样使其烧结困难。此外，SiC 陶瓷的高强度和高硬度使其难以加工，这限制了SiC构件形状的复杂性。增材制造技术可以实现复杂结构陶瓷的直接打印，而无需磨具和机械加工，其中数字光处理技术（DLP）具有高精度和相对较快的打印速度而广泛应用于复杂陶瓷部件的制造。光固化技术的原理是基于光敏树脂在特定波长的紫外线照射下发生聚合反应，将陶瓷颗粒包裹起来而成型。然而，深色SiC具有很强的光吸收性，其折射率远高于树脂，这严重降低了光的穿透深度和光敏树脂可利用的光量。为了解决这个问题，研究人员在对SiC粉末进行高温氧化处理，在其表面原位生成SiO₂壳层来改善SiC浆料的固化性能。然而，SiO₂的强度低，在冷却过程中发生相变并伴随~4.5%体积变化，同时，SiO₂与SiC的热膨胀系数差别大，使其结合较弱，所打印SiC陶瓷的性能较差，大大限制了其实际应用。

近日，山东大学韩桂芳团队通过引入Al(OH)₃-Y₂O₃-CaF₂复合烧结助剂体系，将氧化引入的SiO₂转变为莫来石增强相，通过系统研究烧结助剂添加对SiC浆料性能的影响规律，在空气气氛中烧结制备的莫来石结合SiC陶瓷具有优良的抗弯强度，并成功制备出形状复杂的SiC构件。这项研究为提升SiC浆料的光固化能力及其强度提供了一种可行的策略。

2、研究结果及结论

首先，团队对于陶瓷浆料的性能进行了系统研究。经预氧化后，SiC浆料的固化深度增大（见图1），其中1200℃/4h氧化的SiC粉体所制得浆料的固化性能最佳，曝光5s即可实现＞50μm的固化深度。浆料粘度测试结果也证实预氧化能够降低SiC浆料的粘度（见图2），当固相含量为55 vol%时，其粘度仅为7.77 Pa·s（剪切速率为30s^-1），完全符合光固化打印对浆料的要求。

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图1. SiC粉体预氧化对其浆料固化深度与曝光时间曲线的影响

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图2. SiC预氧化对其浆料粘度的影响：（a、b）不同预氧化时间;（c、d）不同固相含量

采用优化的参数（曝光时间3 s，单层层厚50 μm）成功打印出复杂结构的SiC，经过脱脂烧结后形状保持完整，未出现变形、翘曲等现象，如图3所示。

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图3. DLP打印的复杂结构SiC生坯及烧结体：（a）生坯；（b）烧结体

为了检测生坯的打印质量，团队对生坯表面及打印面的微观形貌及表面粗糙度进行了观测，如图4和图5所示。生坯表面光滑平整，打印面可以观察到较为明显的“梁”与“壑”交替排布的形貌，并且，层与层之间结合良好，无明显分层、裂纹等缺陷。表面及打印面的表面粗糙度相近，Ra值均小于590 nm，表面较为光滑。

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图4. 生坯表面和打印面的微观形貌：（a、b）表面；（c、d）打印面

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图5. 生坯表面及打印面表面粗糙度：（a、b）表面；（c、d）打印面

DLP制备SiC陶瓷的抗弯强度和开气孔率如图6所示。打印的SiC陶瓷的孔隙率为39.2 vol%，抗弯强度达到了97.6 MPa。在如此高的气孔率下，仍能获得较高的抗弯强度，其性能与SPS烧结工艺所制备多孔SiC陶瓷相当，而无需昂贵的设备，所有脱脂和烧结均在空气气氛中进行。本工作提供了一种高性能、复杂结构SiC陶瓷的低成本制备，有望扩大SiC陶瓷的应用范围。

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图6. DLP制备的SiC陶瓷的抗弯强度和开孔隙率

3、作者及研究团队简介

韩桂芳（通讯作者），现为山东大学材料学院教授，博士生导师。主要从事极端环境用超高温陶瓷材料与涂层的设计、制备与性能考核，陶瓷材料增材制造和结构功能一体化材料研究。在Progress in Materials Science, Nature Communications, Journal of Advanced Ceramics, Corrosion Science等期刊发表SCI论文90余篇，被引用2000多次；参编学术专著2部；主持包括国家自然科学基金等科研项目7项；担任中国腐蚀学会高温分会委员、中国复合材料学会陶瓷基复合材料分会委员等职。

孙剑（第一作者），硕士就读于山东大学材料学院材料与化工专业，师从张景德教授和韩桂芳教授，主要从事多孔SiC陶瓷和光固化3D打印方面的研究。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。