中國粉體網(wǎng)訊 隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，碳化硅陶瓷的應用領(lǐng)域進一步拓寬，但特殊的使用工況也對SiC陶瓷制品的形狀復雜性提出了更高的要求。例如：在航空航天領(lǐng)域，為了提高光學系統(tǒng)的分辨率，碳化硅陶瓷反射鏡必須滿足口徑大、質(zhì)量小的要求，因此反射鏡的減重設計越來越復雜；在集成電路領(lǐng)域，碳化硅陶瓷作為集成電路裝備關(guān)鍵組成部分，其結(jié)構(gòu)復雜，精度要求極高；在化工醫(yī)藥領(lǐng)域，碳化硅陶瓷可以用于制作能進行化學反應的三維結(jié)構(gòu)微反應器元件，結(jié)構(gòu)極其復雜。
（非球面反射鏡，來源：華美精陶）
由此可見，復雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷在現(xiàn)代科技的發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。SiC陶瓷常用的燒結(jié)工藝有無壓燒結(jié)、反應燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)等，而制備高致密度、高性能要求的SiC陶瓷制品通常需采用熱壓和熱等靜壓等成型工藝。為滿足碳化硅陶瓷的復雜結(jié)構(gòu)設計要求，優(yōu)化碳化硅陶瓷的制備工藝、實現(xiàn)近凈成型制備是關(guān)鍵，為此，將合適的成型技術(shù)與燒結(jié)技術(shù)科學的組合起來非常重要。
冷等靜壓成型結(jié)合無壓燒結(jié)制備技術(shù)
冷等靜壓技術(shù)是在常溫下，通過用橡膠或塑料作包套模具材料，以液體為壓力介質(zhì)，主要用以粉體材料成型，為進一步燒結(jié)或熱等靜壓工序提供坯體。然后對成型坯體進行機加工得到陶瓷產(chǎn)品素坯，再進行無壓燒結(jié)得到復雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷的一種技術(shù)。
（冷等靜壓設備）
采用冷等靜壓成型結(jié)合無壓燒結(jié)工藝可獲得密度均勻、熱導率高、力學性能優(yōu)異的復雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷，該工藝適用于比剛度、耐磨損、耐化學腐蝕、高溫強度等性能要求高的碳化硅產(chǎn)品的制備。
美爾森布斯泰克公司采用冷等靜壓成型結(jié)合無壓燒結(jié)工藝制備了太空反射鏡、激光振鏡、反應器等多種復雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷制品，其中通過碳化硅釬焊組件（由12個燒結(jié)碳化硅單元組成）制造的赫謝爾太空望遠鏡用反射鏡的直徑為3.5m，是目前太空運行反射鏡中尺寸最大的。
（碳化硅微反應器機組，來源：山東金德新材料）
凝膠注模成型結(jié)合反應燒結(jié)制備技術(shù)
凝膠注模成型技術(shù)是由OMATETE等發(fā)明的一種近凈尺寸成型技術(shù)，可實現(xiàn)大尺寸、復雜結(jié)構(gòu)陶瓷制品的近凈尺寸成型，其成型時間短，模具制備簡單，尺寸精度高，制作成本低。該工藝的基本原理是在低黏度高固含量的陶瓷漿料中加入有機單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和分散劑等，在引發(fā)劑的作用下有機單體和交聯(lián)劑聚合形成空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使?jié){料中懸浮的陶瓷顆粒原位固化成型，并按照模具設計形狀固化成相應的坯體。該坯體經(jīng)脫模、干燥、排膠、燒結(jié)得到陶瓷制品毛坯。
凝膠注模成型結(jié)合反應燒結(jié)工藝可以實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷的制備。通常，燒結(jié)前后碳化硅坯體的收縮率在1.2％左右，燒結(jié)尺寸容易控制，可獲得近凈尺寸陶瓷毛坯，減少碳化硅陶瓷后續(xù)加工量。
凝膠注模成型結(jié)合反應燒結(jié)工藝存在一定的不足：凝膠過程中可能會產(chǎn)生氣泡，影響坯體性能；空氣中的氧對單體的凝膠反應具有阻聚作用，陶瓷坯體表面易產(chǎn)生裂紋和剝落現(xiàn)象；在凝膠過程中由于漿料的不同步固化導致陶瓷坯體產(chǎn)生內(nèi)應力，在干燥或排膠階段坯體易出現(xiàn)開裂；反應燒結(jié)中也容易出現(xiàn)燒結(jié)產(chǎn)品密度不均勻、燒結(jié)產(chǎn)品易開裂以及滲硅不充分等問題，從而影響制品的性能。
注漿成型結(jié)合反應燒結(jié)制備技術(shù)
注漿成型技術(shù)多用于傳統(tǒng)陶瓷的制備，目前也在碳化硅窯具、噴嘴、熱交換器等復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制備過程中得到越來越多的應用。注漿成型結(jié)合反應燒結(jié)工藝流程：將碳化硅粉、燒結(jié)助劑、去離子水、分散劑、黏結(jié)劑等混合制成碳化硅漿料，注入多孔模具，通過毛細管力將漿料中的水分逐漸吸出，沿模具內(nèi)壁向內(nèi)固化成坯體；當坯體厚度達到設定值后，倒出剩余漿料，一定時間后脫模得到碳化硅坯體，再經(jīng)過干燥、修坯、燒結(jié)等工藝制得碳化硅陶瓷成品。
注漿成型工藝操作簡單、靈活性強、成本低，適于制造復雜結(jié)構(gòu)的陶瓷產(chǎn)品。
3D打印成型結(jié)合反應燒結(jié)制備技術(shù)
3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，該技術(shù)基于離散－堆積原理，利用計算機程序?qū)a(chǎn)品的三維模型分層處理，通過加熱或黏結(jié)的方式將原料逐層堆積形成立體形狀的坯體。
3D打印結(jié)合反應燒結(jié)制備工藝在復雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷產(chǎn)品近凈尺寸成型方面具有巨大優(yōu)勢，可提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本，為制造復雜結(jié)構(gòu)陶瓷提供了新的工藝方案。目前，3D打印成型的陶瓷坯體普遍存在表面質(zhì)量差、尺寸精度低、燒結(jié)致密性偏低等問題，影響了3D打印技術(shù)在規(guī)�；I(yè)生產(chǎn)的應用，未來需要繼續(xù)提高3D打印用陶瓷材料的制備水平和打印過程的控制精度，以便實現(xiàn)低成本、高效率的復雜結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品近凈尺寸成型技術(shù)的工業(yè)化應用。
結(jié)束語
碳化硅陶瓷的硬度高，脆性大，加工效率低，隨著復雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷需求量的增加，提高碳化硅陶瓷的加工效率、降低制備成本成為急需解決的問題。從碳化硅陶瓷素坯成型工藝入手，并結(jié)合適宜的燒結(jié)工藝，使燒成的碳化硅陶瓷毛坯達到近凈成型，以減少后續(xù)加工量，并保證產(chǎn)品性能滿足使用要求，這也成為復雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷制備工藝的未來研究方向。
參考來源：
[1]王曉波等.復雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷制備工藝的研究進展
[2]劉秀等.高致密度、復雜形狀SiC陶瓷的組合熱壓燒結(jié)技術(shù)
