中國粉體網訊 隨著科學技術的快速發展，碳化硅陶瓷的應用領域進一步拓寬，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：在航空航天領域，為了提高光學系統的分辨率，碳化硅陶瓷反射鏡必須滿足口徑大、質量小的要求，因此反射鏡的減重設計越來越復雜；在集成電路領域，碳化硅陶瓷作為集成電路裝備關鍵組成部分，其結構復雜，精度要求極高；在化工醫藥領域，碳化硅陶瓷可以用于制作能進行化學反應的三維結構微反應器元件，結構極其復雜。
（非球面反射鏡，來源：華美精陶）
由此可見，復雜結構碳化硅陶瓷在現代科技的發展中發揮著越來越重要的作用。SiC陶瓷常用的燒結工藝有無壓燒結、反應燒結、熱壓燒結和熱等靜壓燒結等，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構設計要求，優化碳化硅陶瓷的制備工藝、實現近凈成型制備是關鍵，為此，將合適的成型技術與燒結技術科學的組合起來非常重要。
冷等靜壓成型結合無壓燒結制備技術
冷等靜壓技術是在常溫下，通過用橡膠或塑料作包套模具材料，以液體為壓力介質，主要用以粉體材料成型，為進一步燒結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品素坯，再進行無壓燒結得到復雜結構碳化硅陶瓷的一種技術。
（冷等靜壓設備）
采用冷等靜壓成型結合無壓燒結工藝可獲得密度均勻、熱導率高、力學性能優異的復雜結構碳化硅陶瓷，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品的制備。
美爾森布斯泰克公司采用冷等靜壓成型結合無壓燒結工藝制備了太空反射鏡、激光振鏡、反應器等多種復雜結構碳化硅陶瓷制品，其中通過碳化硅釬焊組件（由12個燒結碳化硅單元組成）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）
凝膠注模成型結合反應燒結制備技術
凝膠注模成型技術是由OMATETE等發明的一種近凈尺寸成型技術，可實現大尺寸、復雜結構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、交聯劑、引發劑和分散劑等，在引發劑的作用下有機單體和交聯劑聚合形成空間三維網狀結構，使漿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。該坯體經脫模、干燥、排膠、燒結得到陶瓷制品毛坯。
凝膠注模成型結合反應燒結工藝可以實現復雜結構碳化硅陶瓷的制備。通常，燒結前后碳化硅坯體的收縮率在1.2％左右，燒結尺寸容易控制，可獲得近凈尺寸陶瓷毛坯，減少碳化硅陶瓷后續加工量。
凝膠注模成型結合反應燒結工藝存在一定的不足：凝膠過程中可能會產生氣泡，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，陶瓷坯體表面易產生裂紋和剝落現象；在凝膠過程中由于漿料的不同步固化導致陶瓷坯體產生內應力，在干燥或排膠階段坯體易出現開裂；反應燒結中也容易出現燒結產品密度不均勻、燒結產品易開裂以及滲硅不充分等問題，從而影響制品的性能。
注漿成型結合反應燒結制備技術
注漿成型技術多用于傳統陶瓷的制備，目前也在碳化硅窯具、噴嘴、熱交換器等復雜結構產品的制備過程中得到越來越多的應用。注漿成型結合反應燒結工藝流程：將碳化硅粉、燒結助劑、去離子水、分散劑、黏結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，沿模具內壁向內固化成坯體；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，再經過干燥、修坯、燒結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，適于制造復雜結構的陶瓷產品。
3D打印成型結合反應燒結制備技術
3D打印技術又稱增材制造技術，該技術基于離散－堆積原理，利用計算機程序將產品的三維模型分層處理，通過加熱或黏結的方式將原料逐層堆積形成立體形狀的坯體。
3D打印結合反應燒結制備工藝在復雜結構碳化硅陶瓷產品近凈尺寸成型方面具有巨大優勢，可提高產品生產效率并降低生產成本，為制造復雜結構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量差、尺寸精度低、燒結致密性偏低等問題，影響了3D打印技術在規模化工業生產的應用，未來需要繼續提高3D打印用陶瓷材料的制備水平和打印過程的控制精度，以便實現低成本、高效率的復雜結構陶瓷產品近凈尺寸成型技術的工業化應用。
結束語
碳化硅陶瓷的硬度高，脆性大，加工效率低，隨著復雜結構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，并結合適宜的燒結工藝，使燒成的碳化硅陶瓷毛坯達到近凈成型，以減少后續加工量，并保證產品性能滿足使用要求，這也成為復雜結構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.復雜結構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技術
