碳化硅陶瓷具有強(qiáng)度高、硬度高、化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好等特點(diǎn)。碳化硅作為特種陶瓷中的結(jié)構(gòu)陶瓷類別，被廣泛應(yīng)用于各種先進(jìn)制造領(lǐng)域。
▲碳化硅陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域
反應(yīng)燒結(jié)碳化硅制造相形見絀
反應(yīng)燒結(jié)碳化硅（Reaction-Bonded Silicon Carbide, RBSC）是將原料成型體（碳化硅微粉、石墨、炭黑、粘結(jié)劑及各種添加劑）在1720度高溫下通過固相，液相和氣相相互間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)進(jìn)行致密化和規(guī)定組分的合成，得到近尺寸的燒結(jié)體過程。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅具有高溫強(qiáng)度大、抗氧化性強(qiáng)、耐酸堿腐蝕性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性能好、熱導(dǎo)率高、硬度僅次于金剛石具有高耐磨性�，F(xiàn)已被加工成碳化硅噴火嘴燒嘴套、橫梁輥棒、冷風(fēng)管、輻射管、碳化硅耐磨內(nèi)襯等各種耐高溫，耐磨，耐腐蝕性產(chǎn)品。并廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵、陶瓷、高溫窯爐、礦山、煤炭、石油、化工、機(jī)械制造等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，并得到社會(huì)各界的廣泛認(rèn)可。
▲反應(yīng)燒結(jié)碳化硅產(chǎn)品（來源網(wǎng)絡(luò)）
然而隨著國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和需求的增加，碳化硅市場前景愈發(fā)廣闊，相應(yīng)的應(yīng)用要求也日趨嚴(yán)格。特別是在復(fù)雜碳化硅產(chǎn)品的制造方面，對(duì)航空航天、軍工、新能源和半導(dǎo)體等前沿技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展有著重要的戰(zhàn)略意義。然而由于碳化硅陶瓷材料具有缺陷敏感性強(qiáng)、高溫?zé)Y(jié)變形大、燒結(jié)后難以加工等特點(diǎn)，較難使用有模成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳化硅產(chǎn)品制造。相對(duì)高端前沿材料的應(yīng)用普及就相形見絀，嚴(yán)重制約了其在高新技術(shù)的發(fā)展步伐。
3D打印有望成為新的突破點(diǎn)
盡管熱等靜壓、擠壓和注射成型已廣泛用于碳化硅產(chǎn)品成型體的制備。而相比于傳統(tǒng)的成型技術(shù)，3D打印技術(shù)具有智能、無模、精密、高復(fù)雜度的制造能力，它能夠完成傳統(tǒng)工藝不可能完成的制造。不過相對(duì)于塑料或金屬有固定的熔點(diǎn)，通過加熱融化后就可以進(jìn)行粘貼。而碳化物陶瓷沒有熔點(diǎn)，如碳化硅會(huì)在高溫下氧化成二氧化硅，或者是其他的氣體、激光的作用下直接分解，導(dǎo)致無法直接3D打印，需打印出一個(gè)素坯再去燒結(jié)。從碳化硅的素壞成型工藝環(huán)節(jié)入手，再結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)工藝特性，使燒成的碳化硅陶瓷毛坯達(dá)到近凈成型，以減少后續(xù)加工量，并保證產(chǎn)品性能滿足使用要求，這將成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷制備工藝的主要研究方向。
▲3D打印碳化硅樣品（樣品來源：升華三維）
目前，大多數(shù)3D打印SiC陶瓷方法中打印材料固含量較低、硅含量較高、力學(xué)性能較低。如直接墨水書寫（DIW）的墨水中的固相含量太低，會(huì)導(dǎo)致陶瓷坯體致密度較低；激光打印在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力難以避免產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致最終產(chǎn)品力學(xué)性能較差；而粘結(jié)劑噴射（BJP）限制了粉末填充密度，導(dǎo)致SiC體積分?jǐn)?shù)受限；立體光刻（SLA）雖然能夠制備出高強(qiáng)度、高精度、高結(jié)構(gòu)均一性和復(fù)雜性的陶瓷坯體，但由于碳化硅的吸光特性，導(dǎo)致其在制備碳化硅部件時(shí)仍存在諸多技術(shù)瓶頸。因此，在提高碳化硅陶瓷的加工效率、降低制備成本成為亟待解決的問題。
PEP推動(dòng)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅應(yīng)用增長極
升華三維通過基于粉末擠出（PEP）自主研發(fā)的工業(yè)型獨(dú)立雙噴嘴3D打印機(jī)，可利用顆粒碳化硅基復(fù)合材料打印出具有一定結(jié)構(gòu)密度復(fù)雜結(jié)構(gòu)生坯，再結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)近尺寸、輕量化、一體化的碳化硅陶瓷產(chǎn)品制造。目前已成功進(jìn)入到我國航空航天、核工業(yè)、電力化工、光伏半導(dǎo)體等高端制造領(lǐng)域，有望成為促進(jìn)中國制造創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級(jí)的新工具，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
隨著光伏、電子、半導(dǎo)體行業(yè)的崛起，科技的發(fā)展對(duì)芯片的需求量日益劇增，在晶圓制造的過程中普遍使用的石英晶圓載具，因其生產(chǎn)工藝和石英材料特性，使用壽命為3-6個(gè)月；而碳化硅晶圓載具代替石英，使用壽命可達(dá)5年以上，可顯著降低使用成本及維護(hù)維修停線造成的產(chǎn)能損失。某半導(dǎo)體領(lǐng)域客戶，利用PEP技術(shù)結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)工藝制造碳化硅晶圓載具，為晶圓載具的靈活結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了支持，3D打印的一體化制備有效減少制作周期和生產(chǎn)成本。制備的碳化硅晶圓載具具備純度高、高溫強(qiáng)度高、耐熱沖擊、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)勢，在下游客戶生產(chǎn)中具備穩(wěn)定性好、使用壽命長、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。
▲3D打印碳化硅晶圓載具（來源：升華三維）
在空間探測領(lǐng)域，上海硅酸鹽研究所利用升華三維大尺寸獨(dú)立雙噴嘴打印機(jī)UPS-556系統(tǒng)的顆粒熔融沉積結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備SiC陶瓷新方法，成功制備了碳化硅陶瓷光學(xué)元件等高附加值組件，獲得廣泛關(guān)注。顆粒熔融打印方法避免了微重力條件下粉體打印潛在的危害，為未來空間3D打印提供了可能。此案例中的一體化、大尺寸、輕量化碳化硅反射鏡的成功制備，可有力地支撐國家遙感衛(wèi)星發(fā)展和空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提升了我國在遙感探測技術(shù)的核心競爭力。
▲碳化硅光學(xué)元件（來源：上海硅酸鹽研究所）
隨著碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，反應(yīng)燒結(jié)碳化硅在電子、光電、航空航天和冶金等領(lǐng)域的應(yīng)用也逐年增加，這將直接推動(dòng)該應(yīng)用市場的增長。碳化硅陶瓷制備技術(shù)的高速發(fā)展，使得其性能不斷提高，這將進(jìn)一步推動(dòng)碳化硅市場的發(fā)展。3D打印技術(shù)作為高端裝備制造領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，始終致力于解決傳統(tǒng)制造工藝提出的挑戰(zhàn)，在實(shí)現(xiàn)特種陶瓷無模成形、縮減產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、精細(xì)陶瓷微結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著極其重要的作用，而反應(yīng)燒結(jié)碳化硅工藝具有處理溫度低、時(shí)間短、不需要特殊及昂貴的設(shè)備、反應(yīng)燒結(jié)胚件不收縮，尺寸幾乎不變、燒結(jié)過程無需加壓，可以制備大尺寸、形狀復(fù)雜的制品等特點(diǎn)。可以看到PEP技術(shù)結(jié)合無壓燒結(jié)工藝有望推動(dòng)碳化硅3D打印成為極具吸引力的增長極。
致力創(chuàng)新智造，深研特種陶瓷/金屬制造
升華三維作為國內(nèi)金屬／陶瓷間接3D打印技術(shù)的引領(lǐng)者，已建成了集材料、設(shè)備、工藝一體化的生態(tài)運(yùn)營體系。公司PEP技術(shù)成型工藝簡單，可以直接結(jié)合傳統(tǒng)粉末冶金成熟穩(wěn)定的工藝，其投入和維護(hù)成本相對(duì)更低；采用顆粒材料擠出打印方式，可以更大程度上減少材料的浪費(fèi)，且生產(chǎn)過程更環(huán)保。升華三維一路逐夢(mèng)前行，一直致力于間接3D打印技術(shù)的推廣和應(yīng)用。目前正借助PEP技術(shù)與粉末冶金工藝深度融合，不斷實(shí)現(xiàn)碳化硅陶瓷等陶瓷/金屬材料在不同應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新制造，為滿足航空航天、軍工國防、電子信息、工業(yè)制造等的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、輕量化、高性能需求提供高質(zhì)量服務(wù)方案。
