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作 者

屈飄, 梁國鎮(zhèn), M. Irfan Hussain, Muhammad Hanif, Muhammad Hamza, 黃楷斌, 婁燕*, 陳張偉*

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機(jī) 構(gòu)

深圳大學(xué)

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Citation

Qu P, Liang G Z, M Irfan Hussain, Muhammad Hanif, Muhammad Hamza, Huang K B, Lou Y, Chen Z W. 2025. Low-temperature fabrication of high-specific strength SiC-based ceramics via photopolymerization 3D printing with controllable anisotropy. Int. J. Extrem. Manuf.7055002.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/add2e1

撰稿 | 文章作者

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文章導(dǎo)讀

碳化硅陶瓷具有極佳的機(jī)械性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和出色的化學(xué)穩(wěn)定性，從而被廣泛應(yīng)用于航空航天、能源化工、微波射頻等諸多領(lǐng)域。然而，由于碳化硅陶瓷的高硬度和脆性，以及傳統(tǒng)制造技術(shù)在有效和經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀陶瓷結(jié)構(gòu)方面的局限性，傳統(tǒng)制造方法在高精度和高性能陶瓷方面仍然受到限制。碳化硅（SiC）陶瓷與立體光刻技術(shù)的結(jié)合為制造形狀復(fù)雜的碳化硅成形制造帶來了希望。然而，高燒結(jié)溫度、長(zhǎng)周期制備流程及結(jié)構(gòu)性能各向異性為3D 打印碳化硅陶瓷件的實(shí)際應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)。

鑒于此，深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院陳張偉教授攜團(tuán)隊(duì)在《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表了《低溫一步成形SiC基陶瓷及其力學(xué)性能各向異性調(diào)控機(jī)理》文章，提出了一種在相對(duì)較低的燒結(jié)溫度（1100℃）下生產(chǎn)高比強(qiáng)度SiC基陶瓷的新方法。通過引入高含量的聚硅氧烷（PSO）溶液（重量百分比為 75%）可實(shí)現(xiàn)SiC基陶瓷的低溫?zé)Y(jié)。同時(shí)，碳氧化硅（SiOC）相的引入大大降低了SiC陶瓷力學(xué)性能上的各向異。這種方法為低溫一次燒結(jié)成形碳化硅基陶瓷提供了見解，并為控制光固化陶瓷部件的各向異性提供了新的參考。

關(guān)鍵詞

SiC、光固化3D打印、聚硅氧烷、各向異性調(diào)控

亮點(diǎn)

低溫一步燒結(jié)成形SiC基陶瓷；

高比強(qiáng)度SiC基結(jié)構(gòu)陶瓷一體化成形；

基于聚硅氧烷調(diào)控SiC基陶瓷力學(xué)性能的各向異性。

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圖文解析

碳化陶瓷出色的機(jī)械性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和極佳的化學(xué)穩(wěn)定性，使其在諸多領(lǐng)域的被廣泛應(yīng)用。然而，因其高硬度和脆性，碳化硅陶瓷的精細(xì)化結(jié)構(gòu)成形給其加工制造帶來了新的挑戰(zhàn)。增材制造（AM）技術(shù)的發(fā)展為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷一體化成形帶來了新的契機(jī)。在諸多增材制造技術(shù)中，光固化增材制造技術(shù)因其具有高精度成形特性，所以使用該技術(shù)成形SiC基陶瓷構(gòu)件有望加速其應(yīng)用研究進(jìn)展。然而，SiC陶瓷較高的紫外光吸收系數(shù)給其光固化成形帶來了挑戰(zhàn)，同時(shí)SiC陶瓷較高的燒結(jié)溫度也制約了其應(yīng)用推廣。

在本文中，研究人員結(jié)合光固化增材制造工藝與聚硅氧烷前驅(qū)體熱解工藝，設(shè)計(jì)制備了結(jié)構(gòu)SiC基陶瓷，研究了聚硅氧烷前驅(qū)體微觀組織轉(zhuǎn)變機(jī)制，并研究了聚硅氧烷轉(zhuǎn)化碳硅氧烷補(bǔ)償SiC基陶瓷各向異性機(jī)理（圖1）。

圖1光固化SiC基陶瓷制造工藝流程。

在燒結(jié)熱解過程中，引入SiC基陶瓷的聚硅氧烷會(huì)轉(zhuǎn)化成SiOC陶瓷，大大降低了SiC基陶瓷的開放孔隙率。當(dāng)聚硅氧烷前驅(qū)體添加量達(dá)到75%時(shí)，相比于未添加的SiC基陶瓷，其抗壓強(qiáng)度近9倍（圖2）。從微觀組織演變上看（圖3），隨著燒結(jié)溫度的升高SiC基陶瓷的截面孔隙率有下降趨勢(shì)。這歸因于微小的SiO2顆粒逐步開始燒結(jié)聚合成為大SiO2顆粒，從而導(dǎo)致孔隙率有增大趨勢(shì)。綜合微觀截面孔隙率和SiOC相機(jī)械強(qiáng)度隨溫度變化的趨勢(shì)，制得的SiC基陶瓷在1100℃下的壓縮強(qiáng)度最佳。

圖2SiC基陶瓷的抗壓強(qiáng)度、收縮率和開孔率、物相分析和微觀組織形態(tài)。

圖3SiOC強(qiáng)化SiC基陶瓷在不同溫度下的微觀組織形態(tài)。

同時(shí)，文章對(duì)比了添加聚硅氧烷前后SiC基陶瓷力學(xué)性能的各向異性（即沿著打印方向上和垂直打印方向上的力學(xué)強(qiáng)度的比值）。光固化打印陶瓷力學(xué)性能上的各向異性歸因于打印過程中陶瓷組織在打印方向上分布不均勻，從而使得平行于打印方向加載和垂直于打印方向加載得到的力學(xué)性能數(shù)值不一致。研究首先對(duì)比了不同加載方向上壓縮強(qiáng)度的比值，發(fā)現(xiàn)加入聚硅氧烷的SiC基陶瓷的各項(xiàng)異性比值相比未添加前減小（圖4）。通過微觀組織表征分析發(fā)現(xiàn)，聚硅氧烷熱解生成的SiOC對(duì)微觀組織形態(tài)有調(diào)節(jié)作用，低溫?zé)峤馍傻腟iOC會(huì)使得陶瓷顆粒內(nèi)聚，從而減小打印過程中產(chǎn)生的夾層顆粒孔隙，從而補(bǔ)償了SiC陶瓷壓縮性能的各項(xiàng)異性。

圖4SiOC調(diào)節(jié)SiC基陶瓷壓縮性能各向異性。

基于SiOC調(diào)節(jié)SiC基陶瓷壓縮性能各向異性結(jié)論，接著研究了SiOC調(diào)節(jié)SiC基陶瓷抗彎強(qiáng)度的各向異性。對(duì)比了不同聚硅氧烷添加含量下的SiC基陶瓷抗彎強(qiáng)度的各向異性，發(fā)現(xiàn)隨著聚硅氧烷量的添加，SiC基陶瓷的各向異性比值先急劇下降再逐步上升。這是由于少量的聚硅氧烷已經(jīng)能夠使得SiC基陶瓷的微觀組織分布趨于均勻，過量的聚硅氧烷轉(zhuǎn)化生成的SiOC會(huì)再次聚集在打印夾層中，從而加劇各向異性。因此，當(dāng)聚硅氧烷的添加量為15%時(shí)，此時(shí)的SiC基陶瓷在抗彎性能上趨于各向同性。

圖5SiOC調(diào)節(jié)SiC基陶瓷抗彎性能各向異性及其機(jī)理。

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總結(jié)與展望

光固化打印技術(shù)是SiC基結(jié)構(gòu)陶瓷精密成形的有效途徑，在SiC基陶瓷成形及應(yīng)用發(fā)展上具有推動(dòng)作用。這項(xiàng)工作基于光固化成形技術(shù)，通過聚硅氧烷低溫轉(zhuǎn)化SiOC助燒SiC基陶瓷，為SiC基陶瓷一步低溫?zé)Y(jié)成形提供了參考。同時(shí)，SiOC調(diào)節(jié)SiC基陶瓷各向異性的結(jié)論有望推廣在各類光固化陶瓷成形研究中。

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作者與團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

陳張偉

深圳大學(xué)

陳張偉，深圳大學(xué)長(zhǎng)聘教授、博士生導(dǎo)師、增材制造研究所所長(zhǎng)，深圳大學(xué)優(yōu)秀學(xué)者。主要從事高性能無機(jī)材料3D打印、結(jié)構(gòu)-性能一體化設(shè)計(jì)、器件制備與性能檢測(cè)等研究。在Progress in Materials Science、Materials Science and Engineering R: Reports、Advanced Functional Materials、International Journal of Extreme Manufacturing、Additive Manufacturing等期刊發(fā)表高水平論文150余篇，被引用超7600次。以第1完成人獲得中國發(fā)明協(xié)會(huì)創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)創(chuàng)新獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)、廣東省科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)（自然科學(xué)獎(jiǎng)）、深圳市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)（自然科學(xué)獎(jiǎng)），并獲中國硅酸鹽學(xué)會(huì)特陶優(yōu)青獎(jiǎng)、國際先進(jìn)材料學(xué)會(huì)科學(xué)家獎(jiǎng)、斯坦福全球前2%頂尖科學(xué)家(連續(xù)4年)等。

婁燕

深圳大學(xué)

婁燕，深圳大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院副院長(zhǎng)，主要從事高性能金屬材料、無機(jī)非金屬材料精密成形的相關(guān)設(shè)備、模具、工藝等領(lǐng)域研究。主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)，獲得省級(jí)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，教育部科學(xué)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

屈飄

深圳大學(xué)

第一作者：屈飄，2023級(jí)深圳大學(xué)博士，主要從事SiC及其衍生陶瓷增材制造研究。相關(guān)成果發(fā)表在Additive Manufaturing、IJEM國際期刊上。

致密陶瓷氧化物直接增材制造的進(jìn)展與挑戰(zhàn)

Advances and challenges in direct additive manufacturing of dense ceramic oxides

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關(guān)于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡(jiǎn)稱IJEM，致力于發(fā)表極端制造領(lǐng)域相關(guān)的高質(zhì)量最新研究成果。自2019年創(chuàng)刊至今，期刊陸續(xù)被SCIE、EI、Scopus等20余個(gè)國際數(shù)據(jù)庫收錄。JCR最新影響因子21.3，位列工程/制造學(xué)科領(lǐng)域第一。中科院分區(qū)工程技術(shù)1區(qū)，TOP期刊。入選中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃二期英文領(lǐng)軍期刊。

期刊網(wǎng)址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿：作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關(guān)利超

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